專利名稱：固體攝像裝置及其工作方法、線傳感器、光傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體攝像裝置、線傳感器、光傳感器以及固體攝像裝置的工作方法，特別是涉及CMOS或CCD型的固體攝像裝置、線傳感器、光傳感器以及該固體攝像裝置的工作方法。
背景技術(shù)：
CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)圖像傳感器或CCD(Charge Coupled Device)圖像傳感器等圖像輸入圖像傳感器在特性提高的同時(shí)，在數(shù)碼相機(jī)和帶相機(jī)的移動電話等用途上需要擴(kuò)大起來。
所述圖像傳感器希望進(jìn)一步的特性提高，其一是擴(kuò)大動態(tài)范圍。
以往使用的圖像傳感器的動態(tài)范圍停留在例如3～4位(60～80dB)左右，現(xiàn)狀是到大不了肉眼或銀鹽薄膜的5～6位(100～120dB)。
因此，希望具有與肉眼或氯化銀膠片同等的5～6位(100～120dB)的動態(tài)范圍的高圖像質(zhì)量的圖像傳感器的開發(fā)。具有這樣寬的動態(tài)范圍的圖像傳感器除了數(shù)碼相機(jī)和帶相機(jī)的移動電話，還期待著向PDA(PersonalDigital Assistant)用圖像輸入相機(jī)、高度交通管理系統(tǒng)用相機(jī)、監(jiān)視相機(jī)、FA(Factory Automation)用相機(jī)或醫(yī)療用相機(jī)等的應(yīng)用。
作為提高所述圖像傳感器的特性的技術(shù)，例如在非專利文獻(xiàn)1等中開發(fā)了為了實(shí)現(xiàn)高靈敏度和高S/N比，分別讀出各像素的光電二極管中產(chǎn)生的噪聲和把該噪聲與光信號相加后的信號，取兩者的差分，從而除去噪聲成分，只取出光信號的稱作單片噪聲消除的技術(shù)。
可是，即使用該方法，動態(tài)范圍也是80dB以下，希望比它更寬的動態(tài)范圍。
在專利文獻(xiàn)1中，如圖34所示，描述在光電二極管PD上連接高靈敏度低照度一側(cè)的小電容C1的浮置區(qū)和低靈敏度高照度一側(cè)的大電容C2的浮置區(qū)，分別輸出低照度一側(cè)的輸出outl和高照度一側(cè)的輸出out2，從而擴(kuò)大動態(tài)范圍的技術(shù)。
此外，專利文獻(xiàn)2中，如圖35所示，描述使浮置區(qū)FD的電容CS可變，覆蓋從低照度到高照度，擴(kuò)大動態(tài)范圍的技術(shù)。
此外，還開發(fā)基于短曝光時(shí)間的高照度所對應(yīng)的攝像、由于長曝光時(shí)間而與低照度對應(yīng)的攝像等用不同的短曝光時(shí)間2次攝像的技術(shù)。
此外，在專利文獻(xiàn)3和非專利文獻(xiàn)2中，如圖36所示，開發(fā)了在光電二極管PD和電容C之間設(shè)置晶體管開關(guān)T，在第一次的曝光期間使開關(guān)T導(dǎo)通，在光電二極管PD和電容C雙方中積蓄光電荷信號，在第二次的曝光期間使開關(guān)T斷開，加上前者的積蓄電荷，用光電二極管PD積蓄光電荷信號，從而擴(kuò)大動態(tài)范圍的技術(shù)。這里，當(dāng)存在超過飽和的光照射時(shí)，過剩電荷經(jīng)由復(fù)位晶體管R排出。
此外，在專利文獻(xiàn)4中，如圖37所示，描述作為光電二極管PD，采用電容C比以往大的，能應(yīng)對高照度攝像的技術(shù)。
此外，在非專利文獻(xiàn)3中，如圖38所示，描述把來自光電二極管PD的信號通過組合MOS晶體管構(gòu)成的對數(shù)變換電路，一邊進(jìn)行對數(shù)變換，一邊輸出，從而能應(yīng)對高照度攝像的技術(shù)。
可是，所述專利文獻(xiàn)1、2、3以及非專利文獻(xiàn)2中描述的方法或用不同的曝光時(shí)間2次攝像的方法中，必須在不同的時(shí)刻進(jìn)行低照度一側(cè)的攝像和高照度一側(cè)的攝像，所以如果拍攝動畫，在與兩照度對應(yīng)的攝像的圖像中產(chǎn)生偏移，存在無法使兩圖像匹配的問題。
此外，在所述專利文獻(xiàn)4以及非專利文獻(xiàn)3中記載的方法中，能應(yīng)對高照度一側(cè)的攝像，實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍，但是關(guān)于低照度一側(cè)的攝像，成為低靈敏度、低S/N比，無法提高圖像的質(zhì)量。
如上所述，在CMOS圖像傳感器等圖像傳感器中，難以在維持高靈敏度、高S/N比的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍。
此外，所述的事實(shí)并不局限于圖像傳感器，作為把像素配置為直線狀的線傳感器和不具有多個(gè)像素的光傳感器，也難以在維持高靈敏度、高S/N比的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍。
專利文獻(xiàn)1特開2003-134396號公報(bào)專利文獻(xiàn)2特開2000-165754號公報(bào)專利文獻(xiàn)3特開2002-77737號公報(bào)專利文獻(xiàn)4特開平5-90556號公報(bào)非專利文獻(xiàn)1S.Inoue et al.，IEEE Workshop on CCDs and AdvancedImage Sensors 2001，page 16-19非專利文獻(xiàn)2Yoshinori Muramatsu et al.，IEEE Journal of Solid-stateCircuits，vol.38，No.1，January 2003非專利文獻(xiàn)3圖像信息媒體學(xué)會雜志，57(2003)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是鑒于所述的狀況而提出的，本發(fā)明的目的在于，提供在維持高靈敏度、高S/N比的同時(shí)，能實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍的固體攝像裝置、線傳感器、光傳感器、用于在維持高靈敏度、高S/N比的同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍的固體攝像裝置的工作方法。
為了實(shí)現(xiàn)所述的目的，本發(fā)明的固體攝像裝置把多個(gè)像素集成為陣列狀，該像素包括接收光，生成光電荷的光電二極管；轉(zhuǎn)送所述光電荷的轉(zhuǎn)送晶體管；至少經(jīng)由所述轉(zhuǎn)送晶體管與所述光電二極管連接，并且在積蓄動作時(shí)至少通過所述轉(zhuǎn)送晶體管積蓄從所述光電二極管溢出的光電荷的積蓄電容元件。
所述本發(fā)明的固體攝像裝置把接收光并且生成光電荷的光電二極管、積蓄從光電二極管溢出的光電荷的積蓄電容元件經(jīng)由轉(zhuǎn)送晶體管連接的結(jié)構(gòu)的像素集成為陣列狀。
所述本發(fā)明的固體攝像裝置優(yōu)選在所述轉(zhuǎn)送晶體管和所述積蓄電容元件之間還具有通過所述轉(zhuǎn)送晶體管轉(zhuǎn)送所述光電荷的浮置區(qū)；把所述浮置區(qū)和所述積蓄電容元件的電勢結(jié)合或分割的積蓄晶體管。
還具有與所述浮置區(qū)連接形成，用于排出所述浮置區(qū)內(nèi)的光電荷的復(fù)位晶體管；把所述浮置區(qū)內(nèi)的光電荷放大變換為電壓信號的放大晶體管；與所述放大晶體管連接形成，用于選擇所述像素的選擇晶體管。
此外，包含對所述積蓄電容元件中積蓄的光電荷進(jìn)行對數(shù)變換，讀出的對數(shù)變換電路。
或者包含對從所述光電二極管溢出的光電荷進(jìn)行對數(shù)變換，在所述積蓄電容元件中積蓄的對數(shù)變換電路。
所述本發(fā)明的固體攝像裝置還具有與所述積蓄電容元件和所述積蓄晶體管的連接部連接形成，用于排出所述積蓄電容元件以及所述浮置區(qū)內(nèi)的光電荷的復(fù)位晶體管；把所述浮置區(qū)內(nèi)的光電荷放大變換為電壓信號的放大晶體管；與所述放大晶體管連接形成，用于選擇所述像素的選擇晶體管。
在所述本發(fā)明的固體攝像裝置中，所述轉(zhuǎn)送晶體管是具有構(gòu)成所述轉(zhuǎn)送晶體管的基板的表面或從表面附近到給定深度形成的與所述轉(zhuǎn)送晶體管的溝道相同導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層的嵌入溝道型。
所述轉(zhuǎn)送晶體管具有在構(gòu)成所述轉(zhuǎn)送晶體管的基板的給定深度形成，并且為與所述轉(zhuǎn)送晶體管的溝道相同導(dǎo)電型，減少所述轉(zhuǎn)送晶體管的穿通勢壘的半導(dǎo)體層。
所述本發(fā)明的固體攝像裝置中，所述積蓄電容元件具有在構(gòu)成所述固體攝像裝置的半導(dǎo)體基板的表層部分上形成的成為下部電極的半導(dǎo)體區(qū)、形成在所述半導(dǎo)體區(qū)上的電容絕緣膜、形成在所述電容絕緣膜上的上部電極。
或者所述積蓄電容元件具有在構(gòu)成所述固體攝像裝置的基板上形成的下部電極、形成在所述下部電極上的電容絕緣膜、形成在所述電容絕緣膜上的上部電極。
或者所述積蓄電容元件具有在形成在構(gòu)成所述固體攝像裝置的半導(dǎo)體基板上的溝內(nèi)壁上所形成的成為下部電極的半導(dǎo)體區(qū)、覆蓋所述溝內(nèi)壁而形成的電容絕緣膜、經(jīng)由所述電容絕緣膜掩埋所述溝而形成的上部電極。
第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)、與所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)接合的第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)嵌入構(gòu)成所述固體攝像裝置的半導(dǎo)體基板，構(gòu)成所述積蓄電容元件。
或者，構(gòu)成所述固體攝像裝置的基板是在半導(dǎo)體基板上經(jīng)由絕緣膜形成半導(dǎo)體層的SOI(Semiconductor on Insulator)基板，使用經(jīng)由所述絕緣膜相對的所述半導(dǎo)體基板和所述半導(dǎo)體層之間的絕緣膜電容，構(gòu)成所述積蓄電容元件。
所述本發(fā)明的固體攝像裝置還具有取得從轉(zhuǎn)送給所述浮置區(qū)或轉(zhuǎn)送給所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件的光電荷得到的電壓信號、與所述浮置區(qū)或所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件的復(fù)位電平的電壓信號之間的差分的噪聲消除部件。
還具有存儲所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件的復(fù)位電平的電壓信號的存儲部件。
所述本發(fā)明的固體攝像裝置還具有取得從轉(zhuǎn)送給所述浮置區(qū)的光電荷得到的電壓信號與所述浮置區(qū)的所述轉(zhuǎn)送前的電平的電壓信號之間的差分的噪聲消除部件。
還具有取得從轉(zhuǎn)送給所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件的光電荷得到的電壓信號與所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件的復(fù)位電平的電壓信號之間的差分的噪聲消除部件。
還具有存儲所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件的復(fù)位電平的電壓信號的存儲部件。
所述本發(fā)明的固體攝像裝置中，轉(zhuǎn)送所述光電二極管內(nèi)的光電荷的第一電荷耦合轉(zhuǎn)送路線與所述光電二極管連接形成，所述積蓄電容元件在相鄰的像素間連接，構(gòu)成與所述第一電荷耦合轉(zhuǎn)送路線不同的轉(zhuǎn)送所述積蓄電容元件內(nèi)的光電荷的第二電荷耦合轉(zhuǎn)送路線。
還具有與所述光電二極管連接形成，轉(zhuǎn)送所述光電二極管內(nèi)的光電荷的電荷耦合轉(zhuǎn)送路線；與所述積蓄電容元件連接形成，用于排出所述積蓄電容元件內(nèi)的光電荷的復(fù)位晶體管；把所述積蓄電容元件內(nèi)的光電荷放大變換為電壓信號的放大晶體管；與所述放大晶體管連接形成，用于選擇所述像素的選擇晶體管。
所述本發(fā)明的固體攝像裝置中，構(gòu)成所述像素的晶體管是n溝道MOS晶體管?；蛘?，構(gòu)成所述像素的晶體管是p溝道MOS晶體管。
此外，為了實(shí)現(xiàn)所述的目的，本發(fā)明的線傳感器把多個(gè)像素集成為直線狀，該像素包括接收光，生成光電荷的光電二極管；轉(zhuǎn)送所述光電荷的轉(zhuǎn)送晶體管；與所述光電二極管至少經(jīng)由所述轉(zhuǎn)送晶體管連接而設(shè)置，在積蓄動作時(shí)至少通過所述轉(zhuǎn)送晶體管積蓄從所述光電二極管溢出的光電荷的積蓄電容元件。
所述本發(fā)明的線傳感器把接收光并且生成光電荷的光電二極管、積蓄從光電二極管溢出的光電荷的積蓄電容元件經(jīng)由轉(zhuǎn)送晶體管連接的結(jié)構(gòu)的像素集成為線狀。
此外，為了實(shí)現(xiàn)所述的目的，本發(fā)明的光傳感器具有接收光，生成光電荷的光電二極管；轉(zhuǎn)送所述光電荷的轉(zhuǎn)送晶體管；與所述光電二極管至少經(jīng)由所述轉(zhuǎn)送晶體管連接，在積蓄動作時(shí)至少通過所述轉(zhuǎn)送晶體管積蓄從所述光電二極管溢出的光電荷的積蓄電容元件。
所述本發(fā)明的光傳感器把接收光并且生成光電荷的光電二極管、積蓄從光電二極管溢出的光電荷的積蓄電容元件經(jīng)由轉(zhuǎn)送晶體管連接。
為了實(shí)現(xiàn)所述的目的，本發(fā)明的固體攝像裝置的工作方法中，固體攝像裝置把多個(gè)像素集成為陣列狀，該像素包括接收光，生成光電荷的光電二極管；轉(zhuǎn)送所述光電荷的轉(zhuǎn)送晶體管和積蓄晶體管；經(jīng)由所述轉(zhuǎn)送晶體管與所述光電二極管連接而設(shè)置的浮置區(qū)；在積蓄動作時(shí)通過所述轉(zhuǎn)送晶體管和所述積蓄晶體管積蓄從所述光電二極管溢出的光電荷，通過所述積蓄晶體管控制與所述浮置區(qū)的電勢結(jié)合或分割的積蓄電容元件；所述固定攝像裝置的工作方法包括在電荷積蓄前，使所述轉(zhuǎn)送晶體管截止，使所述積蓄晶體管導(dǎo)通，排出所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件內(nèi)的光電荷的步驟；讀出所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件的復(fù)位電平的電壓信號的步驟；把由所述光電二極管產(chǎn)生的光電荷中飽和前電荷積蓄到所述光電二極管中，從所述光電二極管溢出的過飽和電荷在所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件中積蓄的步驟；使所述積蓄晶體管截止，分割所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件的電勢，排出所述浮置區(qū)內(nèi)的光電荷的步驟；讀出所述浮置區(qū)的復(fù)位電平的電壓信號的步驟；使所述轉(zhuǎn)送晶體管導(dǎo)通，把所述飽和前電荷向所述浮置區(qū)轉(zhuǎn)送，讀出所述飽和前電荷的電壓信號的步驟；使所述積蓄晶體管導(dǎo)通，把所述浮置區(qū)和所述積蓄電容元件的電勢結(jié)合，混合所述飽和前電荷和所述過飽和信號，讀出所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號的步驟。
所述本發(fā)明的固體攝像裝置的工作方法在電荷積蓄前，使轉(zhuǎn)送晶體管截止，使積蓄晶體管導(dǎo)通，排出浮置區(qū)以及積蓄電容元件內(nèi)的光電荷，讀出浮置區(qū)和積蓄電容元件的復(fù)位電平的電壓信號。
接著，把由光電二極管產(chǎn)生的光電荷中的飽和前電荷積蓄到光電二極管中，把從電二極管溢出的過飽和電荷在浮置區(qū)以及積蓄電容元件中積蓄。
接著，使積蓄晶體管截止，分割浮置區(qū)以及積蓄電容元件的電勢，排出浮置區(qū)內(nèi)的光電荷，讀出浮置區(qū)的復(fù)位電平的電壓信號。
接著，使轉(zhuǎn)送晶體管導(dǎo)通，把飽和前電荷向浮置區(qū)轉(zhuǎn)送，讀出飽和前電荷的電壓信號。
接著，使積蓄晶體管導(dǎo)通，把浮置區(qū)和積蓄電容元件的電勢結(jié)合，混合飽和前電荷和過飽和信號，讀出飽和前電荷和過飽和信號的和的電壓信號。
所述本發(fā)明的固體攝像裝置的工作方法還具有取得所述飽和前電荷的電壓信號和所述浮置區(qū)的復(fù)位電平的電壓信號之間的差分，對所述飽和前電荷的電壓信號消除噪聲的步驟；取得所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號、與所述浮置區(qū)和所述積蓄電容元件的復(fù)位電平的電壓信號之間的差分，對所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號消除噪聲的步驟；調(diào)整所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號的增益，使得成為與所述飽和前電荷的電壓信號實(shí)質(zhì)上相同的增益的步驟；與基準(zhǔn)電壓比較，選擇消除了噪聲的所述飽和前電荷的電壓信號、消除了噪聲的所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號中的任意一個(gè)的步驟。
所述本發(fā)明的固體攝像裝置的工作方法在把所述光電二極管中產(chǎn)生的光電荷中的飽和前電荷積蓄到所述光電二極管中，把從所述光電二極管溢出的過飽和電荷積蓄到所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件中的步驟中，把所述轉(zhuǎn)送晶體管部分的電勢調(diào)節(jié)為使所述轉(zhuǎn)送晶體管完全截止的電平或比它還低的電平。
為了實(shí)現(xiàn)所述的目的，本發(fā)明的固體攝像裝置的工作方法中，固體攝像裝置把多個(gè)像素集成為陣列狀，該像素包括接收光，生成光電荷的光電二極管；轉(zhuǎn)送所述光電荷的轉(zhuǎn)送晶體管和積蓄晶體管；經(jīng)由所述轉(zhuǎn)送晶體管與所述光電二極管連接而設(shè)置的浮置區(qū)；在積蓄動作時(shí)通過所述轉(zhuǎn)送晶體管和所述積蓄晶體管積蓄從所述光電二極管溢出的光電荷，通過所述積蓄晶體管控制與所述浮置區(qū)的電勢結(jié)合或分割的積蓄電容元件；所述固定攝像裝置的工作方法包括在電荷積蓄前，使所述轉(zhuǎn)送晶體管截止，使所述積蓄晶體管導(dǎo)通，排出所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件內(nèi)的光電荷的步驟；讀出所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件的復(fù)位電平的電壓信號的步驟；把由所述光電二極管產(chǎn)生的光電荷中的飽和前電荷積蓄到所述光電二極管中，把從所述光電二極管溢出的過飽和電荷在所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件中積蓄的步驟；使所述積蓄晶體管截止，分割所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件的電勢，讀出所述浮置區(qū)的所述飽和前電荷的轉(zhuǎn)送前電平的電壓信號的步驟；使所述轉(zhuǎn)送晶體管導(dǎo)通，把所述飽和前電荷向所述浮置區(qū)轉(zhuǎn)送，讀出所述飽和前電荷的轉(zhuǎn)送后電平的電壓信號的步驟；使所述積蓄晶體管導(dǎo)通，把所述浮置區(qū)和所述積蓄電容元件的電勢結(jié)合，混合所述飽和前電荷和所述過飽和信號，讀出所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號的步驟。
所述本發(fā)明的固體攝像裝置的工作方法在電荷積蓄前，使轉(zhuǎn)送晶體管截止，使積蓄晶體管導(dǎo)通，排出所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件內(nèi)的光電荷，讀出浮置區(qū)以及積蓄電容元件的復(fù)位電平的電壓信號。
接著，把由光電二極管產(chǎn)生的光電荷中的飽和前電荷積蓄到光電二極管中，把從光電二極管溢出的過飽和電荷在浮置區(qū)以及積蓄電容元件中積蓄。
接著，使積蓄晶體管截止，分割浮置區(qū)以及積蓄電容元件的電勢，讀出飽和前電荷的轉(zhuǎn)送前電平的電壓信號。
接著，使轉(zhuǎn)送晶體管導(dǎo)通，把飽和前電荷向浮置區(qū)轉(zhuǎn)送，讀出飽和前電荷的轉(zhuǎn)送后電平的電壓信號接著，使積蓄晶體管導(dǎo)通，把浮置區(qū)和積蓄電容元件的電勢結(jié)合，混合飽和前電荷和過飽和信號，讀出飽和前電荷和過飽和信號的和的電壓信號。
所述本發(fā)明的固體攝像裝置的工作方法還具有取得所述飽和前電荷的轉(zhuǎn)送后電平的電壓信號和所述飽和前信號的轉(zhuǎn)送前電平的電壓信號之間的差分，對所述飽和前電荷的電壓信號消除噪聲的步驟；取得所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號與所述浮置區(qū)和所述積蓄電容元件的復(fù)位電平的電壓信號之間的差分，對所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號消除噪聲的步驟；調(diào)整所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號的增益，使得成為與所述飽和前電荷的電壓信號實(shí)質(zhì)上相同的增益的步驟；與基準(zhǔn)電壓比較，選擇消除了噪聲的所述飽和前電荷的電壓信號、消除了噪聲的所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號中的任意一個(gè)的步驟。
所述本發(fā)明的固體攝像裝置的工作方法在把所述光電二極管中產(chǎn)生的光電荷中的飽和前電荷積蓄到所述光電二極管中，把從所述光電二極管溢出的過飽和電荷積蓄到所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件中的步驟中，把所述轉(zhuǎn)送晶體管部分的電勢調(diào)節(jié)為使所述轉(zhuǎn)送晶體管完全截止的電平或比它還低的電平。
根據(jù)本發(fā)明的固體攝像裝置，在基于接收光并且產(chǎn)生光電荷的光電二極管的低照度攝像中，維持高靈敏度、高S/N比，進(jìn)一步通過積蓄電容元件，積蓄從光電二極管溢出的光電荷，從而進(jìn)行高照度攝像中的攝像，能擴(kuò)大動態(tài)范圍。
根據(jù)本發(fā)明的線傳感器，在維持高靈敏度、高S/N比的同時(shí)，能擴(kuò)大動態(tài)范圍。
根據(jù)本發(fā)明的光傳感器，在維持高靈敏度、高S/N比的同時(shí)，能擴(kuò)大動態(tài)范圍。
根據(jù)本發(fā)明的固體攝像裝置的工作方法，在維持高靈敏度、高S/N比的同時(shí)，能擴(kuò)大動態(tài)范圍。


圖1是本發(fā)明實(shí)施方式1的CMOS圖像傳感器的一個(gè)像素的等價(jià)電路圖。
圖2-1是相當(dāng)于本發(fā)明實(shí)施方式1的CMOS圖像傳感器的各像素一部分的模式剖視圖。
圖2-2是相當(dāng)于圖2-1的區(qū)域的模式電勢圖。
圖3-1是本發(fā)明實(shí)施方式1的CMOS圖像傳感器的驅(qū)動線(φT、φS、φR)上外加的電壓的時(shí)序圖。
圖3-2是表示飽和以下的光量時(shí)的與圖3-1對應(yīng)的電位(VPD、VFD、VCS)變化的曲線圖。
圖3-3是表示飽和以上的光量時(shí)的與圖3-1對應(yīng)的電位(VPD、VFD、VCS)變化的曲線圖。
圖4-1相當(dāng)于圖3-1的時(shí)序圖的某時(shí)序的電勢圖。
圖4-2相當(dāng)于圖3-1的時(shí)序圖的某時(shí)序的電勢圖。
圖4-3相當(dāng)于圖3-1的時(shí)序圖的某時(shí)序的電勢圖。
圖4-4相當(dāng)于圖3-1的時(shí)序圖的某時(shí)序的電勢圖。
圖5-1相當(dāng)于圖3-1的時(shí)序圖的某時(shí)序的電勢圖。
圖5-2相當(dāng)于圖3-1的時(shí)序圖的某時(shí)序的電勢圖。
圖5-3相當(dāng)于圖3-1的時(shí)序圖的某時(shí)序的電勢圖。
圖5-4相當(dāng)于圖3-1的時(shí)序圖的某時(shí)序的電勢圖。
圖6是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的CMOS圖像傳感器的全體電路結(jié)構(gòu)的等價(jià)電路圖。
圖7是進(jìn)行飽和前電荷信號+CFD噪聲、CFD噪聲、調(diào)制后的過飽和電荷信號+CFD+CS噪聲和CFD+CS噪聲等4個(gè)信號處理的電路圖。
圖8-1是對于相對光量，描繪使用電容CFD時(shí)取得的電荷數(shù)的圖。
圖8-2是對于相對光量，描繪使用電容CFD+CS時(shí)取得的電荷數(shù)的圖。
圖8-3是把圖8-1和圖8-2的電荷數(shù)變換為電壓，對于相對光量，重疊表示的曲線圖。
圖9-1是本發(fā)明實(shí)施方式2的CMOS圖像傳感器的1例子的一個(gè)像素量的等價(jià)電路圖。
圖9-2是本發(fā)明實(shí)施方式2的CMOS圖像傳感器的其他例子的一個(gè)像素量的等價(jià)電路圖。
圖10-1是本發(fā)明實(shí)施方式3的CMOS圖像傳感器的1例子的一個(gè)像素量的等價(jià)電路圖。
圖10-2是本發(fā)明實(shí)施方式3的CMOS圖像傳感器的其他例子的一個(gè)像素量的等價(jià)電路圖。
圖11-1是本發(fā)明實(shí)施方式4的CMOS圖像傳感器的1例子的一個(gè)像素量的等價(jià)電路圖。
圖11-2是本發(fā)明實(shí)施方式4的CMOS圖像傳感器的其他例子的一個(gè)像素量的等價(jià)電路圖。
圖12是本發(fā)明實(shí)施方式5的CMOS圖像傳感器的一個(gè)像素量的等價(jià)電路圖。
圖13是本發(fā)明實(shí)施方式5的CMOS圖像傳感器的主要部分的模式電勢圖。
圖14-1是本發(fā)明實(shí)施方式5的CMOS圖像傳感器的驅(qū)動線(φT、φS、φR)上外加的電壓的時(shí)序圖。
圖14-2是本發(fā)明實(shí)施方式5的CMOS圖像傳感器的驅(qū)動線(φT、φS、φR)上外加的電壓的時(shí)序圖。
圖15-1相當(dāng)于圖14-1的時(shí)序圖的某時(shí)序的電勢圖。
圖15-2相當(dāng)于圖14-1的時(shí)序圖的某時(shí)序的電勢圖。
圖15-3相當(dāng)于圖14-1的時(shí)序圖的某時(shí)序的電勢圖。
圖16-1相當(dāng)于圖14-1的時(shí)序圖的某時(shí)序的電勢圖。
圖16-2相當(dāng)于圖14-1的時(shí)序圖的某時(shí)序的電勢圖。
圖16-3相當(dāng)于圖14-1的時(shí)序圖的某時(shí)序的電勢圖。
圖17是表示本發(fā)明實(shí)施方式5的CMOS圖像傳感器中，采用平面型積蓄電容元件時(shí)的約一個(gè)像素量的布局一例的圖。
圖18-1是詳細(xì)表示本發(fā)明實(shí)施方式6的CMOS傳感器的浮置區(qū)部分的剖視圖。
圖18-2是表示圖18-1所示的CMOS傳感器的制造步驟的剖視圖。
圖18-3是表示圖18-1所示的CMOS傳感器的制造步驟的剖視圖。
圖19-1是表示本發(fā)明實(shí)施方式7的CMOS傳感器的構(gòu)造的剖視圖。
圖19-2是表示本發(fā)明實(shí)施方式7的CMOS傳感器的構(gòu)造的剖視圖。
圖20-1是表示本發(fā)明實(shí)施方式7的CMOS傳感器的構(gòu)造的剖視圖。
圖20-2是表示本發(fā)明實(shí)施方式7的CMOS傳感器的構(gòu)造的剖視圖。
圖21-1是本發(fā)明實(shí)施方式8的CMOS傳感器的積蓄電容元件的變形例的剖視圖。
圖21-2是本發(fā)明實(shí)施方式8的CMOS傳感器的積蓄電容元件的變形例的剖視圖。
圖22-1是本發(fā)明實(shí)施方式8的CMOS傳感器的積蓄電容元件的變形例的剖視圖。
圖22-2是本發(fā)明實(shí)施方式8的CMOS傳感器的積蓄電容元件的變形例的剖視圖。
圖23-1是本發(fā)明實(shí)施方式8的CMOS傳感器的積蓄電容元件的變形例的剖視圖。
圖23-2是本發(fā)明實(shí)施方式8的CMOS傳感器的積蓄電容元件的變形例的剖視圖。
圖24是本發(fā)明實(shí)施方式8的CMOS傳感器的積蓄電容元件的變形例的剖視圖。
圖25-1是本發(fā)明實(shí)施方式8的CMOS傳感器的積蓄電容元件的變形例的剖視圖。
圖25-2是本發(fā)明實(shí)施方式8的CMOS傳感器的積蓄電容元件的變形例的剖視圖。
圖26-1是本發(fā)明實(shí)施方式8的CMOS傳感器的積蓄電容元件的變形例的剖視圖。
圖26-2是本發(fā)明實(shí)施方式8的CMOS傳感器的積蓄電容元件的變形例的剖視圖。
圖27是本發(fā)明實(shí)施方式8的CMOS傳感器的積蓄電容元件的變形例的剖視圖。
圖28是本發(fā)明實(shí)施方式8的CMOS傳感器的積蓄電容元件的變形例的剖視圖。
圖29是本發(fā)明實(shí)施方式8的CMOS傳感器的積蓄電容元件的變形例的剖視圖。
圖30是實(shí)施方式2中采用溝型積蓄電容元件時(shí)的像素的概略平面圖。
圖31是說明實(shí)施方式2中假定的溝型積蓄電容元件的尺寸的模式圖。
圖32是實(shí)施例2中采用平面積蓄電容元件時(shí)的像素的布局圖。
圖33-1是對于光量(lux)，描繪實(shí)施例4中光電二極管飽和前的輸出(V)的圖。
圖33-2是對于光量(lux)，描繪實(shí)施例4中光電二極管飽和后的輸出(V)的圖。
圖34是以往例1的CMOS圖像傳感器的一個(gè)像素量的等價(jià)電路圖。
圖35是以往例2的CMOS圖像傳感器的一個(gè)像素量的等價(jià)電路圖。
圖36是以往例3的CMOS圖像傳感器的一個(gè)像素量的等價(jià)電路圖。
圖37是以往例4的CMOS圖像傳感器的一個(gè)像素量的等價(jià)電路圖。
圖38是以往例5的CMOS圖像傳感器的一個(gè)像素量的等價(jià)電路圖。
符號的說明10-n型半導(dǎo)體基板；11-p型井；12、12a-p+型分離區(qū)；14、17、19-p+型半導(dǎo)體區(qū)；13、50、51、52-n型半導(dǎo)體區(qū)；15、16、16a、16b、18-n+型半導(dǎo)體區(qū)；15a-低濃度雜質(zhì)區(qū)；15b-高濃度雜質(zhì)區(qū)；20、21、22-元件分離絕緣膜；20a-元件分離絕緣膜的端部；23、24-柵絕緣膜；25、25a、25’-電容絕緣膜；30、31-柵極電極；30a-側(cè)壁隔離塊；32、38、38a、40-上部電極；33、34、35、36、39-布線；37、37a-下部電極；41-TiSi層(Ti層)；42-TiN層；43-鎢插頭；44-上層布線；60-p型半導(dǎo)體基板；61-p型外延層；61a-第一p型外延層；61b-第二p型外延層；62-n+型半導(dǎo)體區(qū)；63-p+型分離區(qū)；64-p型半導(dǎo)體層；65-n+型半導(dǎo)體區(qū)；66-低濃度半導(dǎo)體層；ADC1～3-A/D轉(zhuǎn)換器；AP-放大器；C1-小電容；C2-大電容；CFD、CPD、C-電容；CS-積蓄電容元件；Cap-積蓄電容元件；CCD1-第一電荷耦合轉(zhuǎn)送路線；CCD2-第二電荷耦合轉(zhuǎn)送路線；CH-芯片；CP-比較器；CTa、CTb-電路；DC1、DC2-差動放大器；DP1、2-導(dǎo)電性雜質(zhì)；FD-浮置區(qū)；FM-幀存儲器；GND-接地；LT-光；N1-CPD的復(fù)位電平的信號(噪聲)；N2-CPD+CS的復(fù)位電平的信號(噪聲)；Noise-噪聲；out-輸出(線)；out1、out2-輸出；PA-溢出路線；PC-像素電路；PD-光電二極管；Pixe1-像素；PR-抗蝕膜；QA-過飽和電荷；QA1、QA2-過飽和電荷的一部分；QB-飽和前電荷；R-復(fù)位晶體管；S1-飽和前電荷信號；S1’-調(diào)制后的飽和前電荷信號；S2-過飽和電荷信號；S2’-調(diào)制后的過飽和電荷信號；SE-選擇器；SL-選擇線；SRH-列移位寄存器；SRV-行移位寄存器；T-開關(guān)；T1～T4-時(shí)刻；TC-溝；Tr1-轉(zhuǎn)送晶體管；Tr2-積蓄晶體管；Tr3-復(fù)位晶體管；Tr4-放大晶體管；Tr5-選擇晶體管；Tr6～Tr10-晶體管；VPD、VFD、VCS-電位；VDD-電源電壓；φT、φS、φR、φX、φS1+N1、φN1、φS1’+S2’+N2、φN2、φV1、φV2-驅(qū)動線。
具體實(shí)施例方式
下面，參照

本發(fā)明的固體攝像裝置的實(shí)施方式。
實(shí)施方式1本實(shí)施方式的固體攝像裝置是CMOS圖像傳感器，圖1是一個(gè)像素量的等價(jià)電路圖。
各像素由接收光并且生成光電荷的光電二極管PD、轉(zhuǎn)送來自光電二極管PD的光電荷的轉(zhuǎn)送晶體管Tr1、通過轉(zhuǎn)送晶體管Tr1轉(zhuǎn)送光電荷的浮置區(qū)FD、在積蓄動作時(shí)積蓄從所述光電二極管溢出的光電荷的積蓄電容元件CS、把浮置區(qū)FD和積蓄電容元件CS的電勢結(jié)合或分割的積蓄晶體管Tr2、與浮置區(qū)FD連接形成并且用于排出浮置區(qū)FD內(nèi)的光電荷的復(fù)位晶體管Tr3、把浮置區(qū)FD內(nèi)的光電荷放大變換為電壓信號的放大晶體管Tr4、以及與放大晶體管連接形成并且用于選擇像素的選擇晶體管Tr5構(gòu)成，是所謂的5晶體管型的CMOS圖像傳感器。例如所述5個(gè)晶體管都由n溝道MOS晶體管構(gòu)成。
本實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器把所述結(jié)構(gòu)的多個(gè)像素集成為陣列狀，在各像素中，在轉(zhuǎn)送晶體管Tr1、積蓄晶體管Tr2、復(fù)位晶體管Tr3的柵極電極連接φT、φS、φR的各驅(qū)動線，此外，在選擇晶體管Tr5的柵極電極連接由行移位寄存器驅(qū)動的像素選擇線SL(φX)，在選擇晶體管Tr5的輸出一側(cè)源極和漏極連接輸出線out，通過列移位寄存器控制、輸出。
關(guān)于選擇晶體管Tr5、驅(qū)動線φX，為了能進(jìn)行像素的選擇、非選擇動作，只要把浮置區(qū)FD的電壓固定在適宜的值就可以了，所以也能省略它們。
圖2-1是相當(dāng)于本實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器的各像素一部分(光電二極管PD、轉(zhuǎn)送晶體管Tr1、浮置區(qū)FD、積蓄晶體管Tr2、積蓄電容元件CS)的模式剖視圖。
例如在n型硅半導(dǎo)體基板(n-sub)10上形成p型井(p-well)11，形成區(qū)分各像素以及積蓄電容元件CS區(qū)的基于LOCOS法等的元件分離絕緣膜(20、21、22)，在相當(dāng)于分離像素的分離絕緣膜20的下方的p型井11中形成p+型分離區(qū)12。
在p型井11中形成n型半導(dǎo)體區(qū)13，在其表層形成p+型半導(dǎo)體區(qū)14，通過該pn結(jié)構(gòu)成電荷輸送嵌入型的光電二極管PD。如果光LT入射到在pn結(jié)上外加適當(dāng)?shù)钠珘憾a(chǎn)生的耗盡層中，由于光電效應(yīng)，就產(chǎn)生光電荷。
在n型半導(dǎo)體區(qū)13的端部有從p+型半導(dǎo)體區(qū)14伸出形成的區(qū)，從該區(qū)離開給定的距離，在p型井11的表層形成成為浮置區(qū)FD的n+型半導(dǎo)體區(qū)15，再從該區(qū)離開給定的距離，在p型井11的表層形成n+型半導(dǎo)體區(qū)16。
這里，在與n型半導(dǎo)體區(qū)13和n+型半導(dǎo)體區(qū)15有關(guān)的區(qū)域中，在p型井11上面經(jīng)由由氧化硅構(gòu)成的柵絕緣膜23形成由多晶硅構(gòu)成的柵極電極30，n型半導(dǎo)體區(qū)13和n+型半導(dǎo)體區(qū)15為源極和漏極，在p型井11的表層構(gòu)成具有溝道形成區(qū)的轉(zhuǎn)送晶體管Tr1。
此外，在與n+型半導(dǎo)體區(qū)15和n+型半導(dǎo)體區(qū)16有關(guān)的區(qū)域中，在p型井11上面經(jīng)由由氧化硅構(gòu)成的柵絕緣膜24形成由多晶硅構(gòu)成的柵極電極31，n+型半導(dǎo)體區(qū)15和n+型半導(dǎo)體區(qū)16為源極和漏極，在p型井11的表層構(gòu)成具有溝道形成區(qū)的積蓄晶體管Tr2。
此外，在由元件分離絕緣膜(21、22)區(qū)分的區(qū)域中，在p型井11的表層形成成為下部電極的p+型半導(dǎo)體區(qū)17，在其上層經(jīng)由由氧化硅等構(gòu)成的電容絕緣膜25形成由多晶硅等構(gòu)成的上部電極32，由它們構(gòu)成積蓄電容元件CS。
覆蓋轉(zhuǎn)送晶體管Tr1、積蓄晶體管Tr2以及積蓄電容元件CS，形成由氧化硅構(gòu)成的絕緣膜，形成到達(dá)n+型半導(dǎo)體區(qū)15、n+型半導(dǎo)體區(qū)16和上部電極32的開口部，分別形成與n+型半導(dǎo)體區(qū)15連接的布線33、連接n+型半導(dǎo)體區(qū)16和上部電極32的布線34。
此外，在轉(zhuǎn)送晶體管Tr1的柵極電極30上連接設(shè)置驅(qū)動線φT，此外，在積蓄晶體管Tr2的柵極電極31上連接設(shè)置驅(qū)動線φS。
關(guān)于所述其他要素的復(fù)位晶體管Tr3、放大晶體管Tr4、選擇晶體管Tr5、各驅(qū)動線(φT、φS、φR、φX)和輸出線out，在圖2-1所示的半導(dǎo)體基板10上的未圖示的區(qū)域中構(gòu)成，從而成為布線連接在未圖示的放大晶體管Tr4上等圖1所示的等價(jià)電路圖的結(jié)構(gòu)。
圖2-2是相當(dāng)于所述光電二極管PD、轉(zhuǎn)送晶體管Tr1、浮置區(qū)FD、積蓄晶體管Tr2以及積蓄電容元件CS的模式電勢圖。
光電二極管PD構(gòu)成相對淺的電勢的電容CPD，浮置區(qū)FD和積蓄電容元件CS構(gòu)成相對深的電勢的電容(CFD、CS)。
這里，轉(zhuǎn)送晶體管Tr1和積蓄晶體管Tr2按照晶體管的on/off，能取2個(gè)能級。
說明圖1的等價(jià)電路圖、圖2-1的剖視圖以及圖2-2的電勢圖中說明的本實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器的驅(qū)動方法。
圖3-1是用驅(qū)動線(φT、φS、φR)上外加的電壓為on/off的2能級加上關(guān)于φT用(+α)表示的能級的3能級表示的時(shí)序圖。
雖然驅(qū)動線φT上外加的電壓為ON/OFF的2能級就可以，但是像本例子那樣為3能級時(shí)，能更有效地把從光電二極管PD溢出的電荷捕獲到浮置區(qū)FD和積蓄電容元件CS中，積蓄。
圖3-2和圖3-3分別是所述時(shí)序的光電二極管PD、浮置區(qū)FD和積蓄電容元件CS構(gòu)成的電容(CPD、CFD、CS)的電位(VPD、VFD、VCS)的變化的曲線圖，圖3-2是由光電二極管PD產(chǎn)生的光電子為使CPD飽和的量以下的光量時(shí)的曲線圖，圖3-3是使CPD飽和的量以上的光量時(shí)的曲線圖。
此外，圖4-1～圖4-4以及圖5-1～圖5-4相當(dāng)于時(shí)序圖的各時(shí)序的電勢圖。
首先，φT為off，φS為on的狀態(tài)下，φR為on，把前半幀中產(chǎn)生的光電荷全部排出、復(fù)位，在時(shí)刻T1，下一半幀開始的同時(shí)，φR為off。
這時(shí)，如圖4-1所示，φS為on，所以成為CFD、CS耦合的狀態(tài)，在復(fù)位之后，伴隨著復(fù)位動作，在CFD+CS中產(chǎn)生所謂的kTC噪聲。這里，把CFD+CS的復(fù)位電平的信號作為噪聲N2讀出。
讀出噪聲N2，積蓄到后面描述的幀存儲器(存儲部件)中，在生成圖像信號時(shí)，利用噪聲N2的方法是能使S/N比最好的方法，但是過飽和時(shí)，與飽和前電荷+過飽和電荷相比，噪聲N2足夠小，所以可以代替噪聲N2，使用后面描述的噪聲N1。此外，代替當(dāng)前幀的噪聲N2，可以使用下一幀的噪聲N2。
接著，在積蓄時(shí)間TLT時(shí)，積蓄光電二極管PD中生成的光電荷。這時(shí)，關(guān)于φT，作為(+α)能級，把CPD和CFD之間的勢壘稍微降低。
如圖3-2所示，光電荷首先積蓄到CPD中，伴隨著此，CPD的電位VPD漸漸下降。當(dāng)光電子為使CPD飽和的量以下時(shí)，只有CPD的電位VPD變化，CFD和CS的電位(VFD、VCS)不變化。
而光電子為使CPD飽和的量以上時(shí)，超越φT僅下降了(+α)能級的勢壘，光電荷從CPD溢出，有選擇地積蓄到該像素的CFD+CS中。這時(shí)，如圖3-3所示，在CPD飽和之前，CPD的電位VPD漸漸下降，CFD和CS的電位(VFD、VCS)不變化，但是從CPD飽和之后開始，CPD的電位VPD變?yōu)橐欢?，CFD和CS的電位(VFD、VCS)漸漸下降。
當(dāng)光電子為使光電二極管PD飽和的量以下時(shí)，只在CPD中積蓄光電荷，當(dāng)光電子為使光電二極管PD飽和的量以上時(shí)，除了CPD，在CFD和CS中也積蓄光電荷。
圖4-2表示CPD飽和，在CPD中積蓄飽和前電荷QB，在CFD和CS中積蓄過飽和電荷QA的狀態(tài)。
在積蓄時(shí)間TLT的結(jié)束時(shí)，φT從(+α)能級回到off，φS為off，如圖4-3所示，分割CFD和CS的電勢。
使φR為on，如圖4-4所示，排出CFD中的光電荷，復(fù)位。
接著，在時(shí)刻T2，使φR為off，結(jié)束復(fù)位之后，如圖5-1所示，kTC噪聲在CFD中新產(chǎn)生。這里，把CFD的復(fù)位電平的信號作為噪聲N1讀出。
接著，使φT為on，如圖5-2所示，把CPD中的飽和前電荷QB轉(zhuǎn)送給CFD。這里，CPD的電勢比CFD更淺，轉(zhuǎn)送晶體管的能級比CPD深，所以能實(shí)現(xiàn)CPD中的飽和前電荷QB全部轉(zhuǎn)送給CFD的完全電荷轉(zhuǎn)送。
這里，在時(shí)刻T3，φT回到off，從轉(zhuǎn)送給CFD的飽和前電荷QB讀出飽和前電荷信號S1?？墒?，這里，帶有CFD噪聲，所以實(shí)際讀出的成為S1+Ni。圖5-2表示使φT回到off之前的狀態(tài)。
接著，使φS為on，接著使φT為on，從而把CFD和CS的電勢結(jié)合，如圖5-3所示，混合CFD中的飽和前電荷QB和CS中的過飽和電荷QA。
這里，在時(shí)刻T4，使φT回到off，從擴(kuò)展到CFD+CS的飽和前電荷QB和過飽和電荷QA讀出飽和前電荷信號S1和過飽和電荷信號S2的和的信號?？墒?，這里帶有CFD+CS噪聲，因?yàn)閺臄U(kuò)展到CFD+CS的電荷讀取，所以實(shí)際讀出的成為S1’+S2’+N2(S1’、S2’分別是根據(jù)CFD和CS的電容比率，縮小調(diào)制后的S1和S2的值)。圖5-3表示φT回到off之前的狀態(tài)。
接著，如上所述，在φT為off，φS為on的狀態(tài)下，使φR為on，把該半幀中產(chǎn)生的光電荷全部排出，復(fù)位(圖5-4)，轉(zhuǎn)移到下一半幀。
下面說明把所述結(jié)構(gòu)的像素集成為陣列狀的CMOS圖像傳感器全體的電路結(jié)構(gòu)。
圖6是表示本實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器的全體電路結(jié)構(gòu)的等價(jià)電路圖。
多個(gè)(圖上4個(gè))的像素(Pixel)配置為陣列狀，在各像素(Pixel)上連接由行移位寄存器SRV控制的驅(qū)動線(φT、φS、φR、φX)、電源VDD和接地GND。
從各像素(Pixel)用列移位寄存器SRH和驅(qū)動線(φS1+N1、φN1、φ+S1’S2’+N2、φN2)控制，如上所述，把飽和前電荷信號(S1)+CFD噪聲(N1)、CFD噪聲(N1)、調(diào)制后的飽和前電荷信號(S1’)+調(diào)制后的過飽和電荷信號(S2’)+CFD+CS噪聲(N2)、以及CS噪聲(N2)等4個(gè)值在各時(shí)序?qū)Ω鬏敵鼍€輸出。
這里，飽和前電荷信號(S1)+CFD噪聲(N1)、CFD噪聲(N1)的各輸出端部分CTa如以下說明的那樣，取得它們的差分，所以可以在CMOS圖像傳感器芯片上形成包含差動放大器DC1的電路CTb。
圖7是進(jìn)行按所述輸出的飽和前電荷信號(S1)+CFD噪聲(N1)、CFD噪聲(N1)、調(diào)制后的飽和前電荷信號(S1’)+調(diào)制后的過飽和電荷信號(S2’)+CFD+CS噪聲(N2)、以及CFD+CS噪聲(N2)等4個(gè)信號的處理的電路。
從所述的輸出，對差動放大器DC1輸入飽和前電荷信號(S1)+CFD噪聲(N1)、CFD噪聲(N1)，取得它們的差分，從而消除CFD噪聲(N1)，取得飽和前電荷信號(S1)。飽和前電荷信號(S1)可以由按照必要設(shè)置的A/D轉(zhuǎn)換器ADC1數(shù)字化，也可以不設(shè)置ADC1，保持模擬信號。
而把調(diào)制后的飽和前電荷信號(S1’)+調(diào)制后的過飽和電荷信號(S2’)+CFD+CS噪聲(N2)、CFD+CS噪聲(N2)對差動放大器DC2輸入，取得它們的差分，從而消除CFD+CS噪聲(N2)，通過放大器AP，根據(jù)CFD和CS的電容比率復(fù)原，調(diào)整為與飽和前電荷信號(S1)相同的增益，取得飽和前電荷信號和過飽和電荷信號的和(S1+S2)。在把S1’+S2’+N2信號和N2信號輸入差動放大器DC2之前，通過按照必要設(shè)置的A/D轉(zhuǎn)換器ADC2、3分別數(shù)字化，或者不設(shè)置ADC2、3，保持模擬信號，對差動放大器DC2輸入。
這里，如圖3-1～圖3-3的時(shí)序圖所示，CFD+CS噪聲(N2)與其它信號相比，相對取得快，所以在取得其他信號之前，暫時(shí)儲存在存儲部件中，在取得其他信號的時(shí)序從幀存儲器FM讀出，進(jìn)行以下的處理。
說明所述的調(diào)制的飽和前電荷信號(S1’)+調(diào)制后的過飽和電荷信號(S2’)的復(fù)原。
S1’、S2’、α(從CFD向CFD+CS的電荷分配比)以及β(從CS向CFD+CS的電荷分配比)由以下的表達(dá)式表示。
S1’＝S1×α (1)S2’＝S2×α×β (2)α＝CFD/(CFD+CS) (3)β＝CS/(CFD+CS) (4)因此，從CFD和CS的值，從所述表達(dá)式(3)和(4)求出α和β，把它代入所述表達(dá)式(1)和(2)，復(fù)原為S1+S2，能調(diào)整為與另外取得的S1相同的增益。
如圖7所示，選擇按所述取得的S1和S1+S2，作為最終的輸出。
首先把S1對比較器CP輸入，與預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)電位V0比較。而把S1和S1+S2對選擇器SE輸入，按照所述的比較器CP的輸出，選擇S1和S1+S2的任意一方輸出。按照光電二極管PD的電容選擇飽和前的電位，例如基準(zhǔn)電位V0為0.3V左右。
即如果把S1減去V0，為負(fù)，即S1比V0小，就判斷為光電二極管PD不飽和，輸出S1。
相反，如果把S1減去V0，為正，即S1比V0大，就判斷為光電二極管PD飽和，輸出S1+S2。
例如，在CMOS圖像傳感器芯片CH上形成到該輸出，以外帶實(shí)現(xiàn)差動放大器DC1和幀存儲器FM以后的電路。此外，如上所述，關(guān)于差動放大器DC1，也可以在CMOS圖像傳感器芯片CH上形成。
此外，關(guān)于差動放大器DC1和幀存儲器FM以后的電路，因?yàn)樘幚淼哪M數(shù)據(jù)增大，所以在對差動放大器DC1和幀存儲器FM輸入之前，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，把差動放大器DC1和幀存儲器FM以后進(jìn)行數(shù)字化處理。這時(shí)，可以按照使用的A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍，預(yù)先通過未圖示的放大器放大。
如上所述，在本實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器中，在一個(gè)像素中，每半幀，取得飽和前電荷信號(S1)、飽和前電荷信號和過飽和電荷信號的和(S1+S2)等2個(gè)信號，實(shí)際判斷光電二極管PD(CFD)是否為飽和或接近它的狀態(tài)，選擇S1和S1+S2的任意一個(gè)。
圖8-1是對于相對光量，描繪使用CFD時(shí)取得的電荷數(shù)的圖，它相當(dāng)于信號S1。而圖8-2是對于相對光量，描繪使用CFD+CS時(shí)取得的電荷數(shù)的圖，它相當(dāng)于信號S1+S2。
作為基準(zhǔn)電位V0(例如0.3V)，在低照度一側(cè)使用圖8-1所示的信號S1，在高照度一側(cè)使用圖8-2所示的信號S1+S2。
這時(shí)，兩曲線圖中，在低照度區(qū)出現(xiàn)噪聲Noise，但是信號S1比信號S1+S2小，在低照度一側(cè)采用信號S1，所以沒有提高噪聲水平的問題。
此外，CFD的飽和電位在各像素具有偏移，在電荷數(shù)上，為1×104～2×104，但是在進(jìn)入該區(qū)域之前，切換為使用CFD+CS的信號S1+S2，所以有不受CFD的飽和電位的偏移的影響的優(yōu)點(diǎn)。
此外，即使基準(zhǔn)電位V0偏移，在基準(zhǔn)電位的附近一帶，CFD的電荷數(shù)和CFD+CS的電荷數(shù)一致，所以在基準(zhǔn)電位附近，無論使用信號S1，還是信號S1+S2都沒有問題。
圖8-3是重疊表示對于相對光量，描繪使用圖8-1所示的電容CFD時(shí)的浮置區(qū)的電壓的曲線圖(表示為CFD)，對于相對光量描繪使用圖8-2所示的電容CFD+CS時(shí)的浮置區(qū)的電壓的曲線圖的圖。分別對應(yīng)于把圖8-1和圖8-2所示的曲線圖從電荷數(shù)變換為電壓。
可是，如果使用電容CFD+CS，則即使照射相同的光量，取得相同的電荷數(shù)，CS的電容值也增大，所以變換后的電壓按該部分下降。
如上所述，在超過基準(zhǔn)電位0.3V之前的低照度一側(cè)，使用由CFD表示的曲線圖的信號S1，在超過0.3V的高照度一側(cè)，切換為由CFD+CS表示的曲線圖的信號S1+S2。
根據(jù)本實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)和所述的動作方法，從分別消除噪聲而取得的飽和前電荷信號(S1)、飽和前電荷信號和過飽和電荷信號的和(S1+S2)的2個(gè)信號，如果光電二極管PD(CPD)未飽和，就采用飽和前電荷信號(S1)，如果飽和，就采用飽和前電荷信號和過飽和電荷信號的和(S1+S2)。
在光電二極管PD未飽和的低照度攝像中，通過消除噪聲而取得的飽和前電荷信號(S1)，能維持高靈敏度、高S/N比，在光電二極管PD飽和的高照度攝像中，把從光電二極管溢出的光電荷通過積蓄電容元件積蓄，取入它，與所述同樣，通過消除噪聲而取得的信號(飽和前電荷信號和過飽和電荷信號的和(S1+S2))，能維持高S/N比，在高照度一側(cè)擴(kuò)大動態(tài)范圍。
本實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器除了如上所述，不降低低照度一側(cè)的靈敏度，提高高照度一側(cè)的靈敏度，擴(kuò)大動態(tài)范圍，電源電壓也不從通常使用的范圍上升，所以能對應(yīng)于將來的圖像傳感器的微細(xì)化。
元件的追加抑制得極小，不引起像素尺寸的擴(kuò)大。
不用像以往的實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍的圖像傳感器那樣在高照度一側(cè)和低照度一側(cè)分割積蓄時(shí)間，即不跨幀地在同一積蓄時(shí)間中積蓄，所以能應(yīng)對動畫的攝像。
此外，關(guān)于浮置區(qū)FD的漏電流(FD泄漏)，在本實(shí)施方式的圖像傳感器中，CFD+CS的最小信號成為過飽和電荷+來自光電二極管PD的飽和電荷，處理比FD泄漏的電荷還大的電荷量，所以具有難以受FD泄漏的影響的優(yōu)點(diǎn)。
實(shí)施方式2本實(shí)施方式是把實(shí)施方式1的CMOS圖像傳感器的像素的電路結(jié)構(gòu)變形的形態(tài)。
圖9-1是本實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器的一個(gè)例子的一個(gè)像素部分的等價(jià)電路圖。實(shí)質(zhì)上與圖1的等價(jià)電路圖同樣，但是放大晶體管Tr4以及選擇晶體管Tr5的連接不同，是把選擇晶體管Tr5配置在放大晶體管Tr4的上級一側(cè)，放大晶體管Tr4的輸出與輸出線out連接的形態(tài)。
通過這樣連接，能提高放大晶體管Tr4的放大器的增益。
此外，圖9-2是本實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器的其他例子的一個(gè)像素部分的等價(jià)電路圖。實(shí)質(zhì)上與圖1的等價(jià)電路圖同樣，但是關(guān)于轉(zhuǎn)送晶體管Tr1、積蓄晶體管Tr2、復(fù)位晶體管Tr3、放大晶體管Tr4、選擇晶體管Tr5等5個(gè)晶體管，是用p溝道MOS晶體管置換n溝道MOS晶體管的結(jié)構(gòu)。
據(jù)此，能實(shí)現(xiàn)空穴的完全電荷轉(zhuǎn)送型的圖像傳感器，例如作為硅基板，適合于使用p型的情況等。
其他結(jié)構(gòu)能采用與實(shí)施方式1的CMOS圖像傳感器同樣的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器，與實(shí)施方式1同樣，在光電二極管PD不飽和的低照度攝像中，通過消除噪聲而取得的飽和前電荷信號，能維持高靈敏度、高S/N比，在光電二極管PD飽和的高照度攝像中，通過積蓄電容元件積蓄從光電二極管溢出的光電荷，取入它，與所述同樣，通過消除噪聲而取得的信號(飽和前電荷信號和過飽和電荷信號的和)，維持高S/N比，在高照度一側(cè)，能實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍。
實(shí)施方式3本實(shí)施方式的固體攝像裝置是CCD圖像傳感器。
圖10-1是本實(shí)施方式的CCD圖像傳感器的一個(gè)例子的一個(gè)像素量的等價(jià)電路圖。
φV1和φV2的2相驅(qū)動的第一電荷耦合轉(zhuǎn)送路線CCD1和第二電荷耦合轉(zhuǎn)送路線CCD2在垂直方向延伸配置，光電二極管PD與第一電荷耦合轉(zhuǎn)送路線CCD1直接連接，而經(jīng)由轉(zhuǎn)送晶體管Tr1與第二電荷耦合轉(zhuǎn)送路線CCD2連接。
這里，第二電荷耦合轉(zhuǎn)送路線CCD2在光電二極管PD飽和時(shí)，作為積蓄從光電二極管PD溢出的光電荷的積蓄電容元件CS起作用。
在所述的結(jié)構(gòu)的CCD圖像傳感器中，通過第一電荷耦合轉(zhuǎn)送路線CCD1轉(zhuǎn)送低照度一側(cè)的飽和前信號，通過CCD的驅(qū)動讀出，而用積蓄電容元件CS積蓄高照度一側(cè)的過飽和信號，通過積蓄電容元件CS構(gòu)成的第二電荷耦合轉(zhuǎn)送路線CCD2的驅(qū)動，原封不動讀出。
通過分別讀出低照度一側(cè)的飽和前信號、把從光電二極管溢出的光電荷由積蓄電容元件積蓄的高照度一側(cè)的過飽和信號，能在高照度一側(cè)實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍。
圖10-2是本實(shí)施方式的CCD圖像傳感器的其他例子的一個(gè)像素部分的等價(jià)電路圖。
相當(dāng)于在實(shí)施方式1的CMOS圖像傳感器中，通過第一電荷耦合轉(zhuǎn)送路線CCD1轉(zhuǎn)送低照度一側(cè)的飽和前信號，通過CCD的驅(qū)動讀出的結(jié)構(gòu)。高照度一側(cè)的過飽和信號的讀出能與實(shí)施方式1的CMOS圖像傳感器的信號讀出同樣進(jìn)行。
這時(shí)，不需要混合飽和前信號和過飽和信號的步驟，所以可以不設(shè)置浮置區(qū)FD和積蓄電容元件CS之間的積蓄晶體管Tr2。
通過分別讀出低照度一側(cè)的飽和前信號、把從光電二極管溢出的光電荷由積蓄電容元件積蓄的高照度一側(cè)的過飽和信號，能在高照度一側(cè)實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍。
實(shí)施方式4本實(shí)施方式是把實(shí)施方式1的CMOS圖像傳感器的像素的電路結(jié)構(gòu)變形的形態(tài)。
圖11-1是本實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器的一個(gè)例子的一個(gè)像素量的等價(jià)電路圖。實(shí)質(zhì)上與圖1的等價(jià)電路圖同樣，但是，是追加構(gòu)成把積蓄電容元件CS中積蓄的光電荷作對數(shù)變換，讀出的對數(shù)變換電路的晶體管Tr6～8的形態(tài)。
通過一邊進(jìn)行對數(shù)變換，一邊讀出，能應(yīng)對高照度攝像，能實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍。在光電二極管PD的飽和附近，通過混合飽和前信號和過飽和信號，能提高S/N。
圖11-2是本實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器的其他例子的一個(gè)像素量的等價(jià)電路圖。
是追加構(gòu)成把從光電二極管PD溢出的光電荷作對數(shù)變換，積蓄到積蓄電容元件CS中的對數(shù)變換電路的晶體管Tr6、7、9、10的形態(tài)。
通過一邊進(jìn)行對數(shù)變換，一邊讀出，能應(yīng)對高照度攝像，能實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍。進(jìn)行對數(shù)變換，積蓄到積蓄電容元件CS中，所以即使積蓄電容元件CS小，也能有助于寬動態(tài)范圍化。
實(shí)施方式5本實(shí)施方式的固體攝像裝置是與實(shí)施方式1同樣的CMOS圖像傳感器，圖12是一個(gè)像素量的等價(jià)電路圖。
各像素由接收光并且生成光電荷的光電二極管PD、轉(zhuǎn)送來自光電二極管PD的光電荷的轉(zhuǎn)送晶體管Tr1、通過轉(zhuǎn)送晶體管Tr1轉(zhuǎn)送光電荷的浮置區(qū)FD、在積蓄動作時(shí)積蓄從所述光電二極管溢出的光電荷的積蓄電容元件CS、把浮置區(qū)FD和積蓄電容元件CS的電勢結(jié)合或分割的積蓄晶體管Tr2、與積蓄電容元件CS直接連接并且經(jīng)由積蓄晶體管Tr2與浮置區(qū)FD連接形成，并且用于排出積蓄電容元件CS以及浮置區(qū)FD內(nèi)的光電荷的復(fù)位晶體管Tr3、把浮置區(qū)FD內(nèi)的光電荷放大變換為電壓信號的放大晶體管Tr4、以及與放大晶體管連接形成并且用于選擇像素的選擇晶體管Tr5構(gòu)成，是所謂的5晶體管型的CMOS圖像傳感器。例如所述5個(gè)晶體管都由n溝道MOS晶體管構(gòu)成。
本實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器把所述結(jié)構(gòu)的多個(gè)像素集成為陣列狀，在各像素中，在轉(zhuǎn)送晶體管Tr1、積蓄晶體管Tr2、復(fù)位晶體管Tr3的柵極電極連接φT、φS、φR的各驅(qū)動線，此外，在選擇晶體管Tr5的柵極電極連接由行移位寄存器驅(qū)動的像素選擇線SL(φX)，在選擇晶體管Tr5的輸出一側(cè)源極和漏極連接輸出線out，通過列移位寄存器控制、輸出。
關(guān)于選擇晶體管Tr5、驅(qū)動線φX，為了能進(jìn)行像素的選擇、非選擇動作，只要把浮置區(qū)FD的電壓固定在適宜的值就可以了，所以也能省略它們。
圖13是相當(dāng)于所述的光電二極管PD、轉(zhuǎn)送晶體管Tr1、浮置區(qū)FD、積蓄晶體管Tr2、積蓄電容元件CS的模式電勢圖。
光電二極管PD構(gòu)成相對淺的電勢的電容CPD，浮置區(qū)FD和積蓄電容元件CS構(gòu)成相對深的電勢的電容(CFD、CS)。
這里，轉(zhuǎn)送晶體管Tr1和積蓄晶體管Tr2按照晶體管的on/off，能取2個(gè)能級。
說明圖12的等價(jià)電路圖、圖13的電勢圖中說明的本實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器的驅(qū)動方法。
圖14-1是用驅(qū)動線(φT、φS、φR)上外加的電壓為on/off的2能級加上關(guān)于φT用(+α)表示的能級的3能級表示的時(shí)序圖。
雖然驅(qū)動線φT上外加的電壓為ON/OFF的2能級就可以，但是像本例子那樣為3能級時(shí)，能更有效地把從光電二極管PD溢出的電荷捕獲到浮置區(qū)FD和積蓄電容元件CS中，積蓄。
此外，圖15-1～圖15-3以及圖16-1～圖16-3相當(dāng)于時(shí)序圖的各時(shí)序的電勢圖。
首先，在一個(gè)半幀(1F)的開始，φT為off，φS為on的狀態(tài)下，φR為on，把前半幀中產(chǎn)生的光電荷全部排出，復(fù)位，在時(shí)刻T1，φR為off。
這時(shí)，如圖1 5-1所示，φS為on，所以成為CFD、CS耦合的狀態(tài)，在復(fù)位之后，伴隨著復(fù)位動作，在CFD+CS中產(chǎn)生所謂的kTC噪聲。這里，把CFD+CS的復(fù)位電平的信號作為噪聲N2讀出。
接著，在積蓄時(shí)間TLT時(shí)，積蓄光電二極管PD中生成的光電荷。這時(shí)，關(guān)于φT，作為(+α)能級，把CPD和CFD之間的勢壘稍微降低。
如果電荷的積蓄開始，光電荷首先積蓄到CPD中，當(dāng)光電子為使CPD飽和的量以上時(shí)，如圖15-2所示，超越φT僅下降了(+α)能級的勢壘，光電荷從CPD溢出，有選擇地積蓄到該像素的CFD+CS中。
當(dāng)光電子為使CPD飽和的量以下時(shí)，只在CPD中積蓄光電荷，當(dāng)光電子為使CPD飽和的量以上時(shí)，除了CPD，在CFD和CS中也積蓄光電荷。
圖15-2表示CPD飽和，在CPD中積蓄飽和前電荷QB，在CFD和CS中積蓄過飽和電荷QA的狀態(tài)。
在積蓄時(shí)間TLT的結(jié)束時(shí)，φT從(+α)能級回到off，在時(shí)刻T2，φS為off，如圖15-3所示，分割CFD和CS的電勢。這時(shí)，過飽和電荷QA按照CFD和CS的電容比，分割為QA1和QA2。這里，把保持過飽和電荷的一部分QA1的CFD的電平信號作為噪聲N1讀出。
接著使φT為on，如圖16-1所示，把CPD中的飽和前電荷QB向CFD轉(zhuǎn)送，與原來CFD中保持的過飽和電荷的一部分QA1混合。
這里，CPD的電勢比CFD淺，轉(zhuǎn)送晶體管的能級比CPD深，所以能實(shí)現(xiàn)把位于CPD中的飽和前電荷QB全部轉(zhuǎn)送給CFD的完全電荷轉(zhuǎn)送。
在時(shí)刻T3，φT回到off，從轉(zhuǎn)送給CFD的飽和前電荷QB讀出飽和前電荷信號S1?？墒?，這里，在CFD中存在飽和前電荷QB與過飽和電荷的一部分QA1的和的電荷，實(shí)際讀出的成為S1+N1。圖16-1表示使φT回到off之前的狀態(tài)。
接著，使φS為on，接著使φT為on，從而把CFD和CS的電勢結(jié)合，如圖16-2所示，混合CFD中的飽和前電荷QB與過飽和電荷的一部分QA1的和的電荷、CS中的過飽和電荷的一部分QA2。過飽和電荷的一部分QA1和過飽和電荷的一部分QA2的和相當(dāng)于分割前的過飽和電荷QA，所以成為在CFD和CS結(jié)合的電勢中保持飽和前電荷QB與過飽和電荷QA的狀態(tài)。
這里，在時(shí)刻T4，使φT回到off，從擴(kuò)展到CFD+CS的飽和前電荷QB和過飽和電荷QA讀出飽和前電荷信號S1與過飽和電荷信號S2的和的信號?？墒?，這里帶有CFD+CS噪聲，因?yàn)閺臄U(kuò)展到CFD+CS的電荷讀取，所以實(shí)際讀出的成為S1’+S2’+N2(S1’、S2’分別是根據(jù)CFD和CS的電容比率，縮小調(diào)制后的S1和S2的值)。圖16-2表示φT回到off之前的狀態(tài)。
以上，半幀(1F)結(jié)束，轉(zhuǎn)移到下一半幀，在φT為off，φS為on的狀態(tài)下，使φR為on，如圖16-3所示，把以前的半幀中產(chǎn)生的光電荷全部排出，復(fù)位。
從按所述取得的4個(gè)信號N2、N1、S1+N1、S1’+S2’+N2，通過與實(shí)施方式1同樣的步驟，取得飽和前電荷信號(S1)、飽和前電荷信號與過飽和電荷信號的和(S1+S2)。根據(jù)是飽和前還是飽和后，選擇任意的信號。
在所述的說明中，讀出噪聲N2，積蓄到幀存儲器中，在生成圖像信號時(shí)利用噪聲N2，但是在過飽和時(shí)，與飽和前電荷+過飽和電荷相比，噪聲N2足夠小，所以代替當(dāng)前幀的噪聲N2，可以使用下一幀的噪聲N2。
此外，能根據(jù)圖14-2所示的時(shí)序圖驅(qū)動。對于圖14-1的時(shí)序圖，在各半幀的復(fù)位動作期間中，設(shè)置使φT為on的期間不同。這時(shí)，連CPD中的電荷都能可靠地復(fù)位。
除了所述，全體的電路結(jié)構(gòu)與實(shí)施方式1是同樣的結(jié)構(gòu)。
圖17是在本實(shí)施方式的CMOS固體攝像裝置中，采用平面積蓄電容元件時(shí)的約一個(gè)像素量的布局圖的一例。
如圖那樣配置光電二極管PD、積蓄電容元件CS以及5個(gè)晶體管Tr1～Tr5，用布線W1連接晶體管Tr1和晶體管Tr2之間的浮置區(qū)FD和晶體管Tr4的柵極，用布線W2連接晶體管Tr2和晶體管Tr3之間的擴(kuò)散層與積蓄電容元件CS的上部電極，能實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于圖13所示的本實(shí)施方式的等價(jià)電路圖的電路。
在該布局中，轉(zhuǎn)送晶體管Tr1的溝道寬度在光電二極管PD一側(cè)寬，在浮置區(qū)FD一側(cè)窄。因此，能高效使從光電二極管溢出的電荷溢出到浮置區(qū)一側(cè)。而在浮置區(qū)FD一側(cè)變窄，能減小浮置區(qū)FD的電容，能增大電位對于浮置區(qū)FD中積蓄的電荷的變動幅度。
根據(jù)本實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器，與實(shí)施方式1同樣，從分別消除噪聲而取得的飽和前電荷信號(S1)、飽和前電荷信號和過飽和電荷信號的和(S1+S2)的2個(gè)信號，如果光電二極管PD(CPD)未飽和，就采用飽和前電荷信號(S1)，如果飽和，就采用飽和前電荷信號和過飽和電荷信號的和(S1+S2)。
在光電二極管PD未飽和的低照度攝像中，通過消除噪聲而取得的飽和前電荷信號(S1)，能維持高靈敏度、高S/N比，在光電二極管PD飽和的高照度攝像中，把從光電二極管溢出的光電荷通過積蓄電容元件積蓄，取入它，與所述同樣，通過消除噪聲而取得的信號(飽和前電荷信號和過飽和電荷信號的和(S1+S2))，能維持高S/N比，在高照度一側(cè)擴(kuò)大動態(tài)范圍。
本實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器除了如上所述，不降低低照度一側(cè)的靈敏度，提高高照度一側(cè)的靈敏度，擴(kuò)大動態(tài)范圍，電源電壓也不從通常使用的范圍上升，所以能對應(yīng)于將來的圖像傳感器的微細(xì)化。
元件的追加抑制得極小，不引起像素尺寸的擴(kuò)大。
不用像以往的實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍的圖像傳感器那樣在高照度一側(cè)和低照度一側(cè)分割積蓄時(shí)間，即不跨幀地在同一積蓄時(shí)間中積蓄，所以能應(yīng)對動畫的攝像。
此外，關(guān)于浮置區(qū)FD的漏電流(FD泄漏)，在本實(shí)施方式的圖像傳感器中，CFD+CS的最小信號成為過飽和電荷+來自光電二極管PD的飽和電荷，處理比FD泄漏的電荷還大的電荷量，所以具有難以受FD泄漏的影響的優(yōu)點(diǎn)。
本實(shí)施方式的CMOS圖像傳感器與第一實(shí)施方式相同地，不受PD的飽和偏移的影響。
實(shí)施方式6本實(shí)施方式的CMOS傳感器是在所述的實(shí)施方式1～5的CMOS傳感器中，通過采用以下的結(jié)構(gòu)，能抑制浮置區(qū)的泄漏的CMOS傳感器。
圖18-1是詳細(xì)表示本實(shí)施方式的CMOS傳感器的浮置區(qū)部分的剖視圖。
P型井(p-well)11的有源區(qū)由基于LOCOS法的氧化硅的元件分離絕緣膜20分離，在相當(dāng)于元件分離絕緣膜20的下方的P型井11中形成p+型分離區(qū)12。此外，在稱作鳥嘴的LOCOS元件分離絕緣膜20的端部20a的下方形成p+型分離區(qū)12a。
從元件分離絕緣膜20的端部20a離開給定的距離，在P型井11的表面經(jīng)由由氧化硅構(gòu)成的柵絕緣膜23形成多晶硅的柵極電極30。在柵極電極的側(cè)部形成氮化硅的側(cè)壁隔離塊30a。
在柵極電極30和元件分離絕緣膜20之間的P型井11的表層形成成為浮置區(qū)FD的n+型半導(dǎo)體區(qū)15。n+型半導(dǎo)體區(qū)15由低濃度雜質(zhì)區(qū)15a和高濃度雜質(zhì)區(qū)15b構(gòu)成。這里，成為低濃度雜質(zhì)區(qū)15a從高濃度雜質(zhì)區(qū)15b的端部伸出的所謂LDD(Lightly Doped Drain)構(gòu)造，在元件分離絕緣膜20的端部20a附近和柵極電極30附近，在元件分離絕緣膜20的端部20a以及柵極電極30一側(cè)更廣泛形成低濃度雜質(zhì)區(qū)15a。
由所述的柵極電極30和n+型半導(dǎo)體區(qū)15構(gòu)成的源極和漏極構(gòu)成在P型井11的表層具有溝道形成區(qū)的轉(zhuǎn)送晶體管Tr1。
覆蓋柵極電極30、n+型半導(dǎo)體區(qū)15以及元件分離絕緣膜20，形成由氧化硅構(gòu)成的層間絕緣膜，形成到達(dá)n+型半導(dǎo)體區(qū)15的觸點(diǎn)，在觸點(diǎn)底部的n+型半導(dǎo)體區(qū)15的上層層疊TiSi層(或者Ti層)41和TiN層42，在其上層嵌入觸點(diǎn)，形成鎢插頭43。與鎢插頭43連接，在層間絕緣膜的上層形成上層布線44。以覆蓋n+型半導(dǎo)體區(qū)15的面積形成上層布線44，此外由觸點(diǎn)連接，成為與n+型半導(dǎo)體區(qū)15相同的電位。
在具有圖18-1所示的構(gòu)造的CMOS傳感器中，在LOCOS元件分離絕緣膜20的鳥嘴的下部形成p+型分離區(qū)12a，n+型半導(dǎo)體區(qū)15成為LDD構(gòu)造，緩和n+型半導(dǎo)體區(qū)15的端部特別是應(yīng)力大的LOCOS元件分離絕緣膜20的鳥嘴附近的電場集中，所以能抑制n+型半導(dǎo)體區(qū)15(浮置區(qū)FD)中的泄漏。
此外，覆蓋n+型半導(dǎo)體區(qū)15(浮置區(qū)FD)形成同電位的上層部線44，通過基于上層部線44的屏蔽效應(yīng)，能抑制成為泄漏的原因的n+型半導(dǎo)體區(qū)15(浮置區(qū)FD)的表面的耗盡化。
如上所述，是能大幅度抑制n+型半導(dǎo)體區(qū)15(浮置區(qū)FD)的泄漏的構(gòu)造。
圖18-2以及圖18-3是表示圖18-1所示的CMOS傳感器的制造步驟的剖視圖。
如圖18-2所示，在p型井11的元件分離區(qū)形成成為溝道截?cái)嗖康膒+型分離區(qū)12，通過LOCOS法，形成元件分離絕緣膜20，在元件分離絕緣膜20的鳥嘴下部形成p+型分離區(qū)12a。
接著通過熱氧化法在p型井11的表面形成柵絕緣膜23，構(gòu)圖形成柵極電極30，為了通過柵極電極以及元件分離絕緣膜20的鳥嘴而規(guī)定端部，離子注入n型的導(dǎo)電性雜質(zhì)DP1，形成低濃度雜質(zhì)區(qū)15a。
接著如圖18-3所示，通過CVD法(化學(xué)氣相沉積)，全面形成氮化硅膜，通過蝕刻，在柵極電極30的側(cè)部形成側(cè)壁隔離塊30a。此外，從鳥嘴伸出某種程度，以覆蓋元件分離絕緣膜20的圖案來形成抗蝕膜PR。
為了由所述側(cè)壁隔離塊30a和抗蝕膜PR規(guī)定端部，離子注入n型的導(dǎo)電性雜質(zhì)DP2，形成高濃度雜質(zhì)區(qū)15b。
通過所述的步驟，不僅柵極電極易側(cè)，在LOCOS元件分離絕緣膜20一側(cè)也能成為LDD構(gòu)造。
接著通過CVD法，全面把氧化硅成膜，形成層間絕緣膜，對于取得的層間絕緣膜，形成到達(dá)n+型半導(dǎo)體區(qū)的觸點(diǎn)，例如通過濺射法，在觸點(diǎn)底部形成TiSi層(或者Ti)層41，再形成TiN層42，在觸點(diǎn)中嵌入形成鎢插頭43。通過金屬材料，以覆蓋n+型半導(dǎo)體區(qū)15的寬度形成上層布線44，成為圖18-1所示的構(gòu)造。
根據(jù)本實(shí)施方式的CMOS傳感器，與所述的各實(shí)施方式同樣，能在高照度一側(cè)實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍，并且能抑制浮置區(qū)的泄漏電流。
實(shí)施方式7本實(shí)施方式的CMOS傳感器是在所述實(shí)施方式1～6的CMOS傳感器中，驅(qū)動線φT上外加的電壓不是用圖3-1所示的(+α)表示的能級，只用on/off的2能級，就能使在電荷的積蓄時(shí)從光電二極管溢出的電荷向浮置區(qū)順利移動的構(gòu)造的CMOS傳感器。
圖19-1以及圖19-2所示的CMOS傳感器中，轉(zhuǎn)送晶體管是具有構(gòu)成轉(zhuǎn)送晶體管的基板的表面或從表面附近到給定深度形成的與轉(zhuǎn)送晶體管的溝道相同導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層的嵌入溝道型。
圖19-1是本實(shí)施方式的CMOS傳感器的一例的剖視圖，相當(dāng)于光電二極管PD、轉(zhuǎn)送晶體管Tr1、浮置區(qū)FD、積蓄晶體管Tr2的部分。成為積蓄晶體管Tr2的源極和漏極的n+型半導(dǎo)體區(qū)16與未圖示的積蓄電容元件CS連接。
這里，從轉(zhuǎn)送晶體管Tr1的柵極電極30下部的基板的表面到給定深度，與n型半導(dǎo)體區(qū)13和n+型半導(dǎo)體區(qū)15局部重疊，形成n型半導(dǎo)體區(qū)50。n型半導(dǎo)體區(qū)50是比n型半導(dǎo)體區(qū)13和n+型半導(dǎo)體區(qū)15的雜質(zhì)的有效濃度低的n型區(qū)。
在所述的構(gòu)造中，轉(zhuǎn)送晶體管Tr1嵌入溝道化，這相當(dāng)于降低光電二極管和浮置區(qū)之間的勢壘。因此，即使在驅(qū)動線φT上不外加由圖3-1的(+α)表示的電位，也能取得同等的電勢，在電荷的積蓄時(shí)，能把從光電二極管溢出的電荷順利地向浮置區(qū)移動。
圖19-2是本實(shí)施方式的CMOS傳感器的一例的剖視圖，與圖19-1的CMOS傳感器同樣，從轉(zhuǎn)送晶體管Tr1的柵極電極30下部的基板的表面到給定深度，與n型半導(dǎo)體區(qū)13和n+型半導(dǎo)體區(qū)15局部重疊，形成n型半導(dǎo)體區(qū)50。直到轉(zhuǎn)送晶體管Tr1的柵極電極30下部區(qū)域，延伸形成在光電二極管PD的表層形成的p+型半導(dǎo)體區(qū)14。
通過形成n型半導(dǎo)體區(qū)50和p+型半導(dǎo)體區(qū)14，轉(zhuǎn)送晶體管Tr1嵌入溝道化，這相當(dāng)于降低光電二極管和浮置區(qū)之間的勢壘。因此，即使在驅(qū)動線φT上不外加由圖3-1的(+α)表示的電位，也能取得同等的電勢，在電荷的積蓄時(shí)，能把從光電二極管溢出的電荷順利地向浮置區(qū)移動。
圖20-1和圖20-2所示的CMOS傳感器是轉(zhuǎn)送晶體管具有在構(gòu)成轉(zhuǎn)送晶體管的基板的給定深度形成，與轉(zhuǎn)送晶體管的溝道相同型，降低轉(zhuǎn)送晶體管的穿通勢壘的半導(dǎo)體層的結(jié)構(gòu)。
圖20-1是本實(shí)施方式的CMOS傳感器的一例的剖視圖，相當(dāng)于光電二極管PD、轉(zhuǎn)送晶體管Tr1、浮置區(qū)FD、積蓄晶體管Tr2的部分。成為積蓄晶體管Tr2的元件和漏極的n+型半導(dǎo)體區(qū)16與未圖示的積蓄電容元件CS連接。
在轉(zhuǎn)送晶體管Tr1的柵極電極30下部的給定深度的區(qū)域中，與n型半導(dǎo)體區(qū)13連接，形成n型半導(dǎo)體區(qū)51。
所述的構(gòu)造相當(dāng)于降低轉(zhuǎn)送晶體管Tr1的穿通勢壘。從n型半導(dǎo)體區(qū)51到浮置區(qū)FD的斜向穿通路線成為從光電二極管到浮置區(qū)FD的溢出路線PA，即使在驅(qū)動線φT上不外加由圖3-1的(+α)表示的電位，在電荷的積蓄時(shí)，也能把從光電二極管溢出的電荷穿通，順利地向浮置區(qū)移動。
圖20-2是本實(shí)施方式的CMOS傳感器的一例的剖視圖，與圖20-1的CMOS傳感器同樣，在轉(zhuǎn)送晶體管Tr1的柵極電極30下部的給定深度的區(qū)域中，與n型半導(dǎo)體區(qū)13連接，形成n型半導(dǎo)體區(qū)52。在本實(shí)施方式，n型半導(dǎo)體區(qū)52延伸形成到浮置區(qū)的下方。
所述的構(gòu)造相當(dāng)于降低轉(zhuǎn)送晶體管Tr1的穿通勢壘。從n型半導(dǎo)體區(qū)52到浮置區(qū)FD的幾乎垂直方向的穿通路線成為從光電二極管到浮置區(qū)FD的溢出路線PA，即使在驅(qū)動線φT上不外加由圖3-1的(+α)表示的電位，在電荷的積蓄時(shí)，也能把從光電二極管溢出的電荷穿通，順利地向浮置區(qū)移動。
實(shí)施方式8本實(shí)施方式表示在所述的各實(shí)施方式中，用于積蓄從光電二極管溢出的光電荷的積蓄電容元件的形態(tài)的變形例。
作為積蓄電容元件，考慮結(jié)型積蓄電容元件時(shí)，考慮條件，1μm2的靜電電容是0.3～3fF/μm2左右，面積效率不太好，難以擴(kuò)大動態(tài)范圍。
而在平面型積蓄電容元件中，為了抑制電容絕緣膜的絕緣膜漏電流，使絕緣膜電場為3～4MV/cm以下，最大外加電壓為2.5～3V，電容絕緣膜的厚度設(shè)定為7nm左右時(shí)，電容絕緣膜的材料的介電常數(shù)為3.9，為4.8fF/μm2，介電常數(shù)為7.9，為9.9fF/μm2，介電常數(shù)為20，為25fF/μm2，介電常數(shù)為50，為63fF/μm2。
除了氧化硅(介電常數(shù)為3.9)，通過使用氮化硅(7.9)、Ta2O5(20～30)、HfO2(30)、ZrO2(30)、Ra2O3(40～50)左右的所謂高k材料，能實(shí)現(xiàn)更大的靜電容量，能實(shí)現(xiàn)比較單純構(gòu)造的平面型的100～120dB的寬動態(tài)范圍的圖像傳感器。
通過應(yīng)用抑制占有面積，能擴(kuò)大有助于電容的面積的積層型或溝型等構(gòu)造，能實(shí)現(xiàn)120dB的寬動態(tài)范圍，通過組合所述的高k材料，用積層型能實(shí)現(xiàn)140dB，用溝型能實(shí)現(xiàn)160dB。
以下表示本實(shí)施方式中能應(yīng)用的積蓄電容元件的例子。
圖21-1是與第一實(shí)施方式相同的平面型MOS積蓄電容元件的剖面圖。
即積蓄電容元件CS是例如具有形成在積蓄電容元件10的表層部分的成為下部電極p+型半導(dǎo)體區(qū)17、形成在p+型半導(dǎo)體區(qū)17上的氧化硅的電容絕緣膜25、形成在電容絕緣膜25上的多晶硅等的上部電極32的結(jié)構(gòu)。
圖21-2是平面型MOS及結(jié)型的積蓄電容元件的剖面圖。
例如，形成在n型半導(dǎo)體基板10上的p型井11的表層部分，與成為積蓄晶體管的源極和漏極的n+型半導(dǎo)體區(qū)16a一體形成成為下部電極的n+型半導(dǎo)體區(qū)16b，經(jīng)由其上的氧化硅的電容絕緣膜25形成上部電極32，構(gòu)成積蓄電容元件CS。這時(shí)，在上部電極32外加電源電壓VDD或接地GND。
圖22-1的剖視圖所示的積蓄電容元件是與圖21-1同樣的平面型MOS積蓄電容元件。
可是，電容絕緣膜25a由氮化硅或Ta2O5等高k材料構(gòu)成，比圖21-1的積蓄電容元件的電容更大。
圖22-2的剖視圖所示的積蓄電容元件是與圖21-2同樣的平面型MOS和結(jié)型的積蓄電容元件。
可是，電容絕緣膜25a由氮化硅或Ta2O5等高k材料構(gòu)成，比圖21-2的積蓄電容元件的電容更大。
圖23-1是積層型積蓄電容元件的剖視圖。
例如，是具有形成在n型半導(dǎo)體基板10上的元件分離絕緣膜上形成的下部電極37、形成在下部電極37上的電容絕緣膜25、形成在電容絕緣膜25上的上部電極38的結(jié)構(gòu)。
這里，成為積蓄晶體管的源極和漏極的n+型半導(dǎo)體區(qū)16和下部電極37由布線36連接。這時(shí)，在上部電極38上外加電源電壓VDD或接地GND。
圖23-2是圓筒形狀的積層型積蓄電容元件的剖視圖。
例如，是具有與成為積蓄晶體管的源極和漏極的n+型半導(dǎo)體區(qū)16連接形成的圓筒形狀的下部電極37a、在圓筒形狀的下部電極37a的內(nèi)壁面上形成的電容絕緣膜25、以掩埋下部電極37a的圓筒的內(nèi)側(cè)部分的方式經(jīng)由電容絕緣膜25而形成的上部電極38a的結(jié)構(gòu)。
這里，在上部電極38a上外加電源電壓VDD或接地GND。
圓筒形狀的下部電極37a和以掩埋下部電極37a的圓筒的內(nèi)側(cè)部分的方式形成的上部電極38a的構(gòu)造與通常的積層型相比，更能增大有助于靜電電容的相對面積。
圖24是組合平面MOS型和積層型的復(fù)合積蓄電容元件的剖視圖。根據(jù)本例，能形成面積效率高的大電容。
圖25-1是溝型積蓄電容元件的剖視圖。
貫通n型半導(dǎo)體基板10的p型井11，形成到達(dá)n型基板的溝TC，是具有在溝TC的內(nèi)壁形成的成為下部電極的n+型半導(dǎo)體區(qū)1 8、覆蓋溝TC的內(nèi)壁而形成的電容絕緣膜25、經(jīng)由電容絕緣膜25掩埋溝TC而形成的上部電極40的結(jié)構(gòu)。
這里，成為積蓄晶體管的源極和漏極的n+型半導(dǎo)體區(qū)16和上部電極40由布線34連接。
圖25-2是具有結(jié)的溝型積蓄電容元件的剖視圖。
是在n型半導(dǎo)體基板的p型井11內(nèi)形成溝TC，在溝TC的內(nèi)壁與成為積蓄晶體管的源極和漏極的n+型半導(dǎo)體區(qū)16c一體形成成為下部電極的n+型半導(dǎo)體區(qū)16d，覆蓋溝TC的內(nèi)壁形成電容絕緣膜25，經(jīng)由電容絕緣膜25掩埋溝TC而形成上部電極40的結(jié)構(gòu)。
圖26-1是溝型積蓄電容元件的剖視圖。
是貫通n型半導(dǎo)體基板10的p型井11，形成到達(dá)n型基板的溝TC，在溝TC的比某深度更深的區(qū)域中，具有形成在其內(nèi)壁的成為下部電極的n+型半導(dǎo)體區(qū)18、覆蓋溝TC的內(nèi)壁而形成的電容絕緣膜25、經(jīng)由電容絕緣膜25掩埋溝TC而形成的上部電極40的結(jié)構(gòu)。
這里，成為積蓄晶體管的源極和漏極的n+型半導(dǎo)體區(qū)16和上部電極40由布線34連接。
圖26-2是溝型積蓄電容元件的剖視圖。
是貫通n型半導(dǎo)體基板10的p型井11，形成到達(dá)n型基板的溝TC，具有形成在溝TC內(nèi)壁的成為下部電極的p+型半導(dǎo)體區(qū)19、覆蓋溝TC的內(nèi)壁而形成的電容絕緣膜25、經(jīng)由電容絕緣膜25掩埋溝TC而形成的上部電極40的結(jié)構(gòu)。
在此，由布線34連接成為積蓄晶體管的源極、漏極的n+型半導(dǎo)體區(qū)16和上部電極40。
圖27是具有使用結(jié)電容的嵌入積蓄電容元件的CMOS傳感器的剖視圖。
例如，在p型硅半導(dǎo)體基板(p-sub)60上形成p型外延層61，跨p型半導(dǎo)體基板60和p型外延層61，形成n+型半導(dǎo)體區(qū)62。即，n+型(第一導(dǎo)電型)半導(dǎo)體區(qū)和與它接合的p型(第二導(dǎo)電型)半導(dǎo)體區(qū)嵌入構(gòu)成固體攝像裝置的半導(dǎo)體基板的內(nèi)部，形成使用結(jié)電容的嵌入積蓄電容元件。
在p型半導(dǎo)體基板60和p型外延層61區(qū)中進(jìn)一步形成p+型分離區(qū)63。
在p型外延層61上形成p型半導(dǎo)體層64，對于p型半導(dǎo)體層64，與所述的各實(shí)施方式同樣，形成光電二極管PD、轉(zhuǎn)送晶體管Tr1、浮置區(qū)FD、積蓄晶體管Tr2。
例如，成為積蓄電容元件的n+型半導(dǎo)體區(qū)62跨所述的光電二極管PD、轉(zhuǎn)送晶體管Tr1、浮置區(qū)FD、積蓄晶體管Tr2的各形成區(qū)而被廣泛形成。
此外，成為積蓄晶體管Tr2的源極和漏極的n+型半導(dǎo)體區(qū)16通過在p型半導(dǎo)體層64中垂直延伸的n+型半導(dǎo)體區(qū)65，與構(gòu)成積蓄電容元件的n+型半導(dǎo)體區(qū)62連接。
圖28是具有使用絕緣膜電容和結(jié)電容的嵌入積蓄電容元件的CMOS傳感器的剖視圖。
雖然是與圖27同樣的構(gòu)造，但是成為在p型半導(dǎo)體基板(p-sub)60上，經(jīng)由絕緣膜60a形成第一p型外延層61a和第二p型外延層61b，在半導(dǎo)體基板上經(jīng)由絕緣膜形成半導(dǎo)體層的SOI(Semiconductor on Insulator)基板。
這里，跨第一p型外延層61a和第二p型外延層61b，到達(dá)與絕緣膜60a接觸的區(qū)域，形成n+型半導(dǎo)體區(qū)62，使用經(jīng)由絕緣膜相對的半導(dǎo)體基板和半導(dǎo)體層之間的絕緣膜電容，構(gòu)成積蓄電容元件。
與圖27的積蓄電容元件同樣，在n+型半導(dǎo)體區(qū)62、第一p型外延層61a和第二p型外延層61b之間形成結(jié)電容。
關(guān)于其他構(gòu)造，與圖27的CMOS傳感器同樣。
圖29是具有使用絕緣膜電容和結(jié)電容的嵌入積蓄電容元件的CMOS傳感器的剖視圖。
雖然是與圖28同樣的構(gòu)造，但是在構(gòu)成光電二極管PD的n型半導(dǎo)體區(qū)13和構(gòu)成積蓄電容元件的n+型半導(dǎo)體區(qū)62之間形成低濃度半導(dǎo)體層(i層)66。
所述的構(gòu)造相當(dāng)于降低n型半導(dǎo)體區(qū)13和n+型半導(dǎo)體區(qū)62之間的勢壘，成為從光電二極管到浮置區(qū)FD的溢出路線PA。據(jù)此，即使在驅(qū)動線φT上不外加由圖3-1的(+α)表示的電位，在電荷的積蓄時(shí)，也能把從光電二極管溢出的電荷穿通，向浮置區(qū)移動。
所述各種積蓄電容元件在上述的實(shí)施方式1～7中都能應(yīng)用，如上所述，通過這些形狀的積蓄電容元件積蓄從光電二極管溢出的光電荷，能在高照度一側(cè)實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍。
(實(shí)施例1)在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器中，在使CFD和CS的飽和電壓、CS的靜電電容值變化為各種值時(shí)，通過仿真求出能實(shí)現(xiàn)的動態(tài)范圍。這里，噪聲電平為2e-。
CFD和CS的飽和電壓為500mV，CS為64fF的靜電電容時(shí)，或者CFD和CS的飽和電壓為1V，CS為32fF的靜電電容時(shí)，包含CS的飽和時(shí)的電子數(shù)為2×105e-，能實(shí)現(xiàn)100dB的動態(tài)范圍。
此外，CFD和CS的飽和電壓為500mV，CS為200fF的靜電電容時(shí)，或者CFD和CS的飽和電壓為1V，CS為100fF的靜電電容時(shí)，包含CS的飽和時(shí)的電子數(shù)為6.3×105e-，能實(shí)現(xiàn)110dB的動態(tài)范圍。
CFD和CS的飽和電壓為500mV，CS為640fF的靜電電容時(shí)，或者CFD和CS的飽和電壓為1V，CS為320fF的靜電電容時(shí)，包含CS的飽和時(shí)的電子數(shù)為2×106e-，能實(shí)現(xiàn)120dB的動態(tài)范圍。
(實(shí)施例2)通過仿真求出在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器中應(yīng)用所述溝型積蓄電容元件時(shí)能實(shí)現(xiàn)的動態(tài)范圍。
圖30是采用溝型積蓄電容元件時(shí)的像素的概略平面圖。
各像素由光電二極管PD、像素電路PC和溝型的積蓄電容元件Cap構(gòu)成。
這里，如果假定各像素的一邊為5μm左右，溝型積蓄電容元件的平面圖上的長度為4μm×2左右。
圖31是說明假定的溝型積蓄電容元件的尺寸的模式圖。
是在n型半導(dǎo)體基板10的p型井11內(nèi)形成溝TC，在溝TC的內(nèi)壁形成成為下部電極的p型半導(dǎo)體區(qū)19，覆蓋溝TC的內(nèi)壁，形成氧化硅的電容絕緣膜25，經(jīng)由電容絕緣膜25掩埋溝TC而形成上部電極40的結(jié)構(gòu)。
這里，長度L如上所述為4μm×2。
如果溝的深度D為2μm，氧化硅(介電常數(shù)3.9)的電容絕緣膜25的膜厚Tox為7nm，則只考慮溝的側(cè)面時(shí)，電容為160fF，飽和時(shí)的電子數(shù)為5×105e-，能實(shí)現(xiàn)100～108dB的動態(tài)范圍。
(實(shí)施例3)求出在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器中應(yīng)用所述的平面積蓄電容元件時(shí)能實(shí)現(xiàn)的動態(tài)范圍。
圖32是采用平面積蓄電容元件時(shí)的像素的布局圖。
配置光電二極管PD、浮置區(qū)FD、積蓄電容元件CS和其他像素電路，取得圖32的布局。
如果像素的一邊是8.2μm，平面積蓄電容元件的電容絕緣膜為7nm膜厚的氧化硅，就取得CS＝38fF。這時(shí)，CFD＝4.2Ff(除了邊緣電源)，作為動態(tài)范圍，取得88～96dB。
(實(shí)施例4)在本發(fā)明的CMOS圖像傳感器中，假定一邊為3μm的像素的光電二極管PD的面積以開口率為25％，再在光電二極管PD中組入微型透鏡，實(shí)質(zhì)成為開口率80％的像素。
這里，作為積蓄從光電二極管PD溢出的光電子的積蓄電容元件，設(shè)定64fF和640fF等2種，在兩者中，用仿真求出在光電二極管PD飽和前和飽和后的輸出(V)和光量(lux)的線性。
圖33-1是對于光量(lux)，描繪光電二極管PD飽和前的輸出(V)的圖，因?yàn)槭秋柡颓?，所以積蓄電容元件為64fF和640fF時(shí)都一致，確認(rèn)輸出(V)和光量(lux)的相關(guān)具有高的線性。
此外，圖33-2是對于光量(lux)，描繪飽和后的輸出(V)的圖，相同的光量時(shí)，積蓄電容元件為640fF時(shí)比64fF輸出低，確認(rèn)在輸出飽和之前的具有線性的部分取得寬。
這時(shí)，例如在102lux以下，采用飽和前的輸出，在102lux以上，采用飽和后的輸出，聯(lián)系光電二極管PD的飽和前后，對于光量，在寬的范圍中能取得具有高線性的輸出。
此外，在表1中總結(jié)本發(fā)明的CMOS圖像傳感器的性能。



本發(fā)明并不局限于所述的說明。
例如，在實(shí)施方式中，說明固體攝像裝置，但是并不局限于此，關(guān)于把各固體攝像裝置的像素配置為直線狀的線傳感器、把各固體攝像裝置的像素單獨(dú)構(gòu)成而取得的光傳感器，也能實(shí)現(xiàn)以往不能取得的寬動態(tài)范圍和高靈敏度、高S/N比。
此外，積蓄電容元件的形狀未特別限定，在DRAM的存儲器積蓄電容元件中，為了提高電容，能采用此前開發(fā)的各種方法。
作為固體攝像裝置，如果是經(jīng)由轉(zhuǎn)送晶體管連接光電二極管和積蓄從光電二極管溢出的光電荷的積蓄電容元件的結(jié)構(gòu)，就可以，除了CMOS圖像傳感器，也能應(yīng)用于CCD。
在不脫離本發(fā)明的宗旨的范圍中，能進(jìn)行各種變更。
工業(yè)上的可利用性本發(fā)明的固體攝像裝置能應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)或帶相機(jī)的移動電話等中搭載的CMOS圖像傳感器或CCD圖像傳感器等希望寬動態(tài)范圍的圖像傳感器中。
本發(fā)明的線傳感器能應(yīng)用于希望寬動態(tài)范圍的線傳感器中。
本發(fā)明的光傳感器能應(yīng)用于希望寬動態(tài)范圍的光傳感器中。
本發(fā)明的固體攝像裝置的工作方法能應(yīng)用于希望寬動態(tài)范圍的圖像傳感器的工作方法。
權(quán)利要求
1.一種固體攝像裝置，將多個(gè)像素集成為陣列狀，所述像素包括光電二極管，接收光，生成光電荷；轉(zhuǎn)送晶體管，轉(zhuǎn)送所述光電荷；和積蓄電容元件，至少經(jīng)由所述轉(zhuǎn)送晶體管與所述光電二極管連接而設(shè)置，并且在積蓄動作時(shí)至少通過所述轉(zhuǎn)送晶體管積蓄從所述光電二極管溢出的光電荷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其中在所述轉(zhuǎn)送晶體管和所述積蓄電容元件之間還具有浮置區(qū)，通過所述轉(zhuǎn)送晶體管轉(zhuǎn)送所述光電荷；和積蓄晶體管，將所述浮置區(qū)與所述積蓄電容元件的電勢結(jié)合或分割。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體攝像裝置，其中還具有復(fù)位晶體管，與所述浮置區(qū)連接而形成，用于排出所述浮置區(qū)內(nèi)的光電荷；放大晶體管，將所述浮置區(qū)內(nèi)的光電荷放大變換為電壓信號；和選擇晶體管，與所述放大晶體管連接而形成，用于選擇所述像素。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體攝像裝置，其中具有對數(shù)變換電路，其對所述積蓄電容元件中積蓄的光電荷進(jìn)行對數(shù)變換而讀出。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體攝像裝置，其中具有對數(shù)變換電路，其對從所述光電二極管溢出的光電荷進(jìn)行對數(shù)變換，積蓄到所述積蓄電容元件中。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體攝像裝置，其中還具有復(fù)位晶體管，與所述積蓄電容元件和所述積蓄晶體管的連接部連接而形成，用于排出所述積蓄電容元件以及所述浮置區(qū)內(nèi)的光電荷；放大晶體管，將所述浮置區(qū)內(nèi)的光電荷放大變換為電壓信號；和選擇晶體管，與所述放大晶體管連接而形成，用于選擇所述像素。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其中所述轉(zhuǎn)送晶體管是具有從構(gòu)成所述轉(zhuǎn)送晶體管的基板的表面或表面附近形成至給定的深度為止的與所述轉(zhuǎn)送晶體管的溝道相同的導(dǎo)電型的半導(dǎo)體層的嵌入溝道型。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其中所述轉(zhuǎn)送晶體管具有半導(dǎo)體層，其在構(gòu)成所述轉(zhuǎn)送晶體管的基板的給定的深度形成，并且為與所述轉(zhuǎn)送晶體管的溝道相同的導(dǎo)電型，減少所述轉(zhuǎn)送晶體管的穿通勢壘。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其中所述積蓄電容元件具有在構(gòu)成所述固體攝像裝置的半導(dǎo)體基板的表層部分上形成的成為下部電極的半導(dǎo)體區(qū)；形成在所述半導(dǎo)體區(qū)上的電容絕緣膜；和形成在所述電容絕緣膜上的上部電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其中所述積蓄電容元件具有在構(gòu)成所述固體攝像裝置的基板上形成的下部電極；形成在所述下部電極上的電容絕緣膜；和形成在所述電容絕緣膜上的上部電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其中所述積蓄電容元件具有在形成在構(gòu)成所述固體攝像裝置的半導(dǎo)體基板上的溝內(nèi)壁上所形成的成為下部電極的半導(dǎo)體區(qū)；覆蓋所述溝內(nèi)壁而形成的電容絕緣膜；和經(jīng)由所述電容絕緣膜掩埋所述溝而形成的上部電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其中第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)、與所述第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)接合的第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體區(qū)嵌入構(gòu)成所述固體攝像裝置的半導(dǎo)體基板的內(nèi)部，構(gòu)成所述積蓄電容元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其中構(gòu)成所述固體攝像裝置的基板是在半導(dǎo)體基板上經(jīng)由絕緣膜形成半導(dǎo)體層的絕緣半導(dǎo)體基板，使用經(jīng)由所述絕緣膜而相對的所述半導(dǎo)體基板和所述半導(dǎo)體層之間的絕緣膜電容，構(gòu)成所述積蓄電容元件。
14.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固體攝像裝置，其中還具有噪聲消除部件，其取得從轉(zhuǎn)送給所述浮置區(qū)或轉(zhuǎn)送給所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件的光電荷所得到的電壓信號、與所述浮置區(qū)或所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件的復(fù)位電平的電壓信號之間的差分。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的固體攝像裝置，其中還具有存儲部件，其存儲所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件的復(fù)位電平的電壓信號。
16.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固體攝像裝置，其中還具有噪聲消除部件，其取得從轉(zhuǎn)送給所述浮置區(qū)的光電荷所得到的電壓信號、與所述浮置區(qū)的所述轉(zhuǎn)送前的電平的電壓信號之間的差分。
17.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固體攝像裝置，其中還具有噪聲消除部件，其取得從轉(zhuǎn)送給所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件的光電荷所得到的電壓信號、與所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件的復(fù)位電平的電壓信號之間的差分。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的固體攝像裝置，其中還具有存儲部件，其存儲所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件的復(fù)位電平的電壓信號。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其中轉(zhuǎn)送所述光電二極管內(nèi)的光電荷的第一電荷耦合轉(zhuǎn)送路線與所述光電二極管連接而形成，所述積蓄電容元件在相鄰的像素間連接，構(gòu)成與所述第一電荷耦合轉(zhuǎn)送路線不同的轉(zhuǎn)送所述積蓄電容元件內(nèi)的光電荷的第二電荷耦合轉(zhuǎn)送路線。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體攝像裝置，其中還具有電荷耦合轉(zhuǎn)送路線，與所述光電二極管連接而形成，轉(zhuǎn)送所述光電二極管內(nèi)的光電荷；復(fù)位晶體管，與所述積蓄電容元件連接而形成，用于排出所述積蓄電容元件內(nèi)的光電荷；放大晶體管，將所述積蓄電容元件內(nèi)的光電荷放大變換為電壓信號；和選擇晶體管，與所述放大晶體管連接而形成，用于選擇所述像素。
21.根據(jù)權(quán)利要求1～20中任意一項(xiàng)所述的固體攝像裝置，其中構(gòu)成所述像素的晶體管是n溝道MOS晶體管。
22.根據(jù)權(quán)利要求1～20中任意一項(xiàng)所述的固體攝像裝置，其中構(gòu)成所述像素的晶體管是p溝道MOS晶體管。
23.一種線傳感器，將多個(gè)像素集成為直線狀，所述像素包括光電二極管，接收光，生成光電荷；轉(zhuǎn)送晶體管，轉(zhuǎn)送所述光電荷；和積蓄電容元件，至少經(jīng)由所述轉(zhuǎn)送晶體管與所述光電二極管連接而設(shè)置，在積蓄動作時(shí)至少通過所述轉(zhuǎn)送晶體管積蓄從所述光電二極管溢出的光電荷。
24.一種光傳感器，具有光電二極管，接收光，生成光電荷；轉(zhuǎn)送晶體管，轉(zhuǎn)送所述光電荷；和積蓄電容元件，至少經(jīng)由所述轉(zhuǎn)送晶體管與所述光電二極管連接而設(shè)置，在積蓄動作時(shí)至少通過所述轉(zhuǎn)送晶體管積蓄從所述光電二極管溢出的光電荷。
25.一種固體攝像裝置的工作方法，所述固體攝像裝置將多個(gè)像素集成為陣列狀，所述像素包括光電二極管，接收光，生成光電荷；轉(zhuǎn)送晶體管和積蓄晶體管，轉(zhuǎn)送所述光電荷；浮置區(qū)，經(jīng)由所述轉(zhuǎn)送晶體管與所述光電二極管連接而設(shè)置；和積蓄電容元件，在積蓄動作時(shí)通過所述轉(zhuǎn)送晶體管和所述積蓄晶體管積蓄從所述光電二極管溢出的光電荷，通過所述積蓄晶體管控制與所述浮置區(qū)的電勢的結(jié)合或分割，所述固體攝像裝置的工作方法包括在電荷積蓄前，使所述轉(zhuǎn)送晶體管截止，使所述積蓄晶體管導(dǎo)通，排出所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件內(nèi)的光電荷的步驟；讀出所述浮置區(qū)和所述積蓄電容元件的復(fù)位電平的電壓信號的步驟；由所述光電二極管產(chǎn)生的光電荷中將飽和前電荷積蓄到所述光電二極管中，將從所述光電二極管溢出的過飽和電荷在所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件中積蓄的步驟；使所述積蓄晶體管截止，分割所述浮置區(qū)和所述積蓄電容元件的電勢，排出所述浮置區(qū)內(nèi)的光電荷的步驟；讀出所述浮置區(qū)的復(fù)位電平的電壓信號的步驟；使所述轉(zhuǎn)送晶體管導(dǎo)通，將所述飽和前電荷向所述浮置區(qū)轉(zhuǎn)送，讀出所述飽和前電荷的電壓信號的步驟；和使所述積蓄晶體管導(dǎo)通，將所述浮置區(qū)與所述積蓄電容元件的電勢結(jié)合，混合所述飽和前電荷和所述過飽和信號，讀出所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號的步驟。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的固體攝像裝置的工作方法，其中，還包括取得所述飽和前電荷的電壓信號和所述浮置區(qū)的復(fù)位電平的電壓信號之間的差分，對所述飽和前電荷的電壓信號消除噪聲的步驟；取得所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號、與所述浮置區(qū)和所述積蓄電容元件的復(fù)位電平的電壓信號之間的差分，對所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號消除噪聲的步驟；調(diào)整所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號的增益，使得成為與所述飽和前電荷的電壓信號實(shí)質(zhì)上相同的增益的步驟；和與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，選擇消除了噪聲的所述飽和前電荷的電壓信號、消除了噪聲的所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號中的任意一個(gè)的步驟。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的固體攝像裝置的工作方法，其中在由所述光電二極管產(chǎn)生的光電荷中將飽和前電荷積蓄到所述光電二極管中，將從所述光電二極管溢出的過飽和電荷在所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件中積蓄的步驟中，所述轉(zhuǎn)送晶體管部分的電勢調(diào)節(jié)為使所述轉(zhuǎn)送晶體管完全截止的電平或比它還低的電平。
28.一種固體攝像裝置的工作方法，所述固體攝像裝置將多個(gè)像素集成為陣列狀，所述像素包括光電二極管，接收光，生成光電荷；轉(zhuǎn)送晶體管和積蓄晶體管，轉(zhuǎn)送所述光電荷；浮置區(qū)，經(jīng)由所述轉(zhuǎn)送晶體管與所述光電二極管連接而設(shè)置；和積蓄電容元件，在積蓄動作時(shí)通過所述轉(zhuǎn)送晶體管和所述積蓄晶體管積蓄從所述光電二極管溢出的光電荷，通過所述積蓄晶體管控制與所述浮置區(qū)的電勢的結(jié)合或分割，所述固體攝像裝置的工作方法包括在電荷積蓄前，使所述轉(zhuǎn)送晶體管截止，使所述積蓄晶體管導(dǎo)通，排出所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件內(nèi)的光電荷的步驟；讀出所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件的復(fù)位電平的電壓信號的步驟；在由所述光電二極管產(chǎn)生的光電荷中將飽和前電荷積蓄到所述光電二極管中，將從所述光電二極管溢出的過飽和電荷在所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件中積蓄的步驟；使所述積蓄晶體管截止，分割所述浮置區(qū)和所述積蓄電容元件的電勢，讀出所述浮置區(qū)的所述飽和前電荷的轉(zhuǎn)送前電平的電壓信號的步驟；使所述轉(zhuǎn)送晶體管導(dǎo)通，將所述飽和前電荷向所述浮置區(qū)轉(zhuǎn)送，讀出所述飽和前電荷的轉(zhuǎn)送后電平的電壓信號的步驟；和使所述積蓄晶體管導(dǎo)通，將所述浮置區(qū)與所述積蓄電容元件的電勢結(jié)合，混合所述飽和前電荷和所述過飽和信號，讀出所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號的步驟。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的固體攝像裝置的工作方法，其中還包括取得所述飽和前電荷的轉(zhuǎn)送后電平的電壓信號和所述飽和前信號的轉(zhuǎn)送前電平的電壓信號之間的差分，對所述飽和前電荷的電壓信號消除噪聲的步驟；取得所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號、與所述浮置區(qū)和所述積蓄電容元件的復(fù)位電平的電壓信號之間的差分，對所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號消除噪聲的步驟；調(diào)整所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號的增益，使得成為與所述飽和前電荷的電壓信號實(shí)質(zhì)上相同的增益的步驟；和與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，選擇消除了噪聲的所述飽和前電荷的電壓信號、消除了噪聲的所述飽和前電荷和所述過飽和信號的和的電壓信號中的任意一個(gè)的步驟。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的固體攝像裝置的工作方法，其中在由所述光電二極管產(chǎn)生的光電荷中將飽和前電荷積蓄到所述光電二極管中，將從所述光電二極管溢出的過飽和電荷在所述浮置區(qū)以及所述積蓄電容元件中積蓄的步驟中，所述轉(zhuǎn)送晶體管部分的電勢調(diào)節(jié)為使所述轉(zhuǎn)送晶體管完全截止的電平或比它還低的電平。
全文摘要
為了提供在維持高靈敏度、高S/N比的同時(shí)能實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍的固體攝像裝置、線傳感器、光傳感器，和在維持高靈敏度、高S/N比的同時(shí)能實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍的固體攝像裝置的工作方法，采用以下的結(jié)構(gòu)，把多個(gè)像素集成為陣列狀，該像素包括接收光，生成光電荷的光電二極管PD；轉(zhuǎn)送光電荷的轉(zhuǎn)送晶體管Tr1；至少經(jīng)由轉(zhuǎn)送晶體管Tr1與光電二極管PD連接而設(shè)置，并且在積蓄動作時(shí)將從光電二極管PD溢出的光電荷至少通過轉(zhuǎn)送晶體管Tr1積蓄的積蓄電容元件C
文檔編號H04N5/335GK1926688SQ20058000606
公開日2007年3月7日 申請日期2005年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月27日
發(fā)明者須川成利 申請人:日本德州儀器株式會社, 須川成利